运输层协议详解（一）：无连接运输与UDP
UDP（用户数据报协议）是互联网协议套件中最核心的传输层协议之一。它遵循"尽最大努力交付"的原则，以最精简的方式提供了进程到进程的通信服务。
一、UDP 概述与设计哲学
1. 核心定位
UDP是一种无连接 、不可靠 的传输层协议。它在IP协议提供的主机到主机通信服务之上，仅增加了复用/分用 和简单的差错检测两项最小功能。
2. 设计哲学：简单与高效
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无连接：发送数据前无需进行握手，减少了建立连接的开销和延迟。
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无状态：服务器无需为通信维护连接状态，使得它可以同时向多个客户端发送数据。
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轻量级：协议头部开销极小（仅8字节），处理逻辑简单，传输效率高。
3. 为何需要UDP？
尽管TCP提供了可靠传输，但其复杂的控制机制（如确认、重传、拥塞控制）会引入延迟 和速率波动 。对于许多应用而言，速度比完整性更重要。
4. 典型应用场景
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实时多媒体应用：音视频通话、流媒体、网络电话。这些应用能容忍少量数据丢失，但对延迟和抖动极其敏感。
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DNS（域名系统）：简单的查询/应答模型，使用UDP能实现极高的效率和并发。
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SNMP（简单网络管理协议）：网络设备状态查询。
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TFTP（简单文件传输协议）：在稳定局域网内的小文件传输。
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广播/多播应用：由于TCP是点对点连接，广播和多播只能使用UDP。
二、UDP 报文段结构
UDP的报文段结构极其简单，由8字节的头部 和数据载荷构成。
text
0 7 8 15 16 23 24 31
+--------+--------+--------+--------+ ---
| 源端口号 | 目的端口号 | ^
+--------+--------+--------+--------+ |
| 长度 | 校验和 | 8字节头部
+--------+--------+--------+--------+ |
| | ^
| 数据载荷 | 数据字段
| | v
+-----------------------------------+ ---各字段详解：
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源端口号 ：发送方应用进程的端口号。这是一个可选字段，如果无需回复，可置为0。
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目的端口号：接收方应用进程的端口号。这是多路分解的关键依据。
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长度：整个UDP报文段（头部+数据）的字节长度。该字段的最小值为8（即只有头部，没有数据）。
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校验和 ：用于检测UDP报文段在传输过程中是否出现了差错。在IPv4中是可选的，在IPv6中是强制的。
三、UDP 检验和
1. 作用与目的
UDP检验和用于差错检测 ，目的是发现报文段在从源端到目的端的传输过程中，可能发生的比特翻转错误 （如0变1，1变0）。它提供的是端到端的完整性验证。
2. 计算范围：伪头部 + 头部 + 数据
UDP检验和的计算方法比较特殊，它不仅覆盖UDP报文段本身，还覆盖了来自IP层的一些字段，这部分被称为伪头部。
伪头部结构：
text
0 7 8 15 16 23 24 31
+--------+--------+--------+--------+
| 源IP地址 |
+--------+--------+--------+--------+
| 目的IP地址 |
+--------+--------+--------+--------+
| 全零 | 协议号 | UDP长度 |
+--------+--------+--------+--------+- 协议号：对于UDP，该值为17。
3. 计算步骤
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填充伪头部：在UDP报文段前添加伪头部。
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补零：如果数据部分不是16位的整数倍，则在末尾填充一个字节的0（该填充不作为数据发送）。
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反码求和：将整个序列（伪头部 + UDP头部 + 数据 + 填充）视为一系列16位的整数，将它们全部相加。
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取反码 ：将求和结果的二进制位取反 （1变0，0变1），得到的结果即为检验和。
-
存放：将计算出的检验和存入UDP头部的"检验和"字段。
4. 接收方验证
接收方执行完全相同的计算过程（包括添加伪头部）。如果计算结果全部为1（在反码运算中，全1表示-0，即没有错误），则认为报文段没有出错；否则，就静默地丢弃该报文段，或者将此错误上报给应用层。
详解：UDP检验和的计算时机与流程
简单来说，这是一个 "发送方计算，接收方验证" 的过程。它的核心思想是：发送方为数据生成一个"指纹"，接收方通过核对这个"指纹"来判断数据在传输过程中是否被篡改或出错。
核心原则：发送方计算，接收方验证
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发送方（数据出口）：在将UDP报文段发送到网络之前，计算检验和，并将结果填入报文头的"检验和"字段。
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接收方（数据入口）：从网络收到UDP报文段后，立即重新计算检验和，并将计算结果与报文头中发送方填写的检验和进行比对。
详细工作流程
为了更直观地展示这一过程，下图清晰地描绘了检验和在发送和接收两端的工作流程：
接收方验证的深层原理
为什么接收方计算后结果为"全1"就代表数据正确？
这涉及到反码运算的特性：
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发送方计算时，是先将所有数据（伪头部+头部+数据）相加，然后对和取反码，得到检验和。
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接收方验证时，是将所有数据（伪头部+头部+数据 + 发送方计算的检验和）再次相加。
逻辑推导：
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设发送方所有原始数据的和为
A。 -
发送方计算出的检验和是
~A（即A的反码）。 -
接收方计算的是
A + (~A)。 -
在反码算术中，
A + (~A) = 0xFFFF（即16个二进制位全是1）。 -
所以，如果数据完好无损，接收方的计算结果就是 0xFFFF（全1）。任何比特位出错都会导致这个结果发生变化。
一个简单的比喻
想象一下你要寄送一个装有钱的信封：
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发送方计算：你在信封里放了一张纸条，上面写着"内含100元"。在封口前，你根据里面的钱数计算了一个"检验码"（比如100的特定编码）写在信封外面。
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接收方验证 ：收信人收到信封后，先不拆开。他先看看你外面写的"检验码"是多少。然后他隔着信封清点里面的钱数，并根据同样的算法计算出一个"检验码"。
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如果他算出来的码和你写在信封外面的码对得上，他就确信钱数没错，可以拆开使用了。
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如果对不上，他就知道钱可能在路上被偷换或少了一张，他会直接拒收这个信封（丢弃报文）。
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总结一下：
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时机 ：发送在发送前 计算；接收方在接收后、交付应用前验证。
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目的：提供一种端到端的轻量级差错检测机制。
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结果：验证通过，数据上交；验证失败，数据丢弃。UDP本身不会要求重传，这个决定权交给了上层的应用程序。
5. 为何包含伪头部？
包含伪头部是为了验证UDP报文段是否被错误地交付。它能检测出IP地址错误或IP协议字段错误的情况，确保这个UDP报文段确实是发送给本主机上正确的传输层协议的。
UDP 的局限性总结
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不可靠：不保证数据报能到达终点；不保证数据报按序到达；不保证数据报只到达一次。
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无拥塞控制：无论网络状况如何，都以恒定速率发送数据。这既是优点（适合实时应用），也是缺点（可能加剧网络拥塞，影响其他流量）。
总结
UDP以其简单、高效、低延迟 的特性，在互联网中扮演着不可替代的角色。它放弃了TCP的复杂性和可靠性，换取了极致的速度，完美契合了那些"时效性重于完整性 "的应用需求。理解UDP，就是理解了在网络通信中，没有一种协议是万能的，所有的设计都是在性能、可靠性和复杂度之间做出的权衡。