站在程序猿的角度理解：UDP 协议

向右看齐 2023-10-09 17:15 29阅读 0赞

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> 哈喽，大家好~我是你们的老朋友： 保护小周ღ，本期为大家带来的是 网络基础原理中的 UDP 协议，从什么协议？，认识 UDP 协议，UDP 的报文格式，UDP 传输大文件时的策略，以及 UDP 协议的工作流程这几个方面讲解，咱们程序猿不会网络知识是不行的，确定不来看看嘛~~  
> 更多精彩敬请期待：保护小周ღ \*★,°\*:.☆(￣▽￣)/$:\*.°★\* ‘

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## 一、什么是协议 ##

为了使数据在网络上传输（从源头到达目的），网络通信的参与方必须遵循相同的规则，如：怎么样建立连接、怎么样传输、怎么样互相解析信息等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。这样的规则就被称之为协议（protocol），它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

协议约定了层级和层级之间的调用关系，上层协议调用下层协议，下层协议给上层协议提供支持，不能跨层调用。

**详细内容查看：**[程序猿眼中的协议：TCP / IP 五层网络模型\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][TCP _ IP _-CSDN]

真实的网络协议使用的是 **TCP / IP 五层网络模型**，也是当下最广泛使用的网络的模型。

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本次讲述的 UDP 协议是传输层上比较常用的协议。

另外一个更厉害的协议 TCP 敬请期待下一篇博客~

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## 二、认识UDP 协议 ##

> UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，它不保证数据传输的可靠性，但是具有传输速度快、开销小等特点。UDP协议主要用于需要快速传输数据且对数据的可靠性要求不高的场景，如在线游戏，分布式系统信息的传输（短距离的传输 UDP 的传输的效率是很高的）。

### 2.1 UDP协议的特点： ###

1.  **无连接：**UDP协议在传输数据之前不需要建立连接，也不需要维护连接状态，可以看作是一股脑地传输，因此传输速度快。
2.  **不可靠：**UDP协议不保证数据传输的可靠性，因为它不提供重传机制、异常处理等功能，如果数据在传输过程中出现丢失或错误，UDP协议也不会进行任何处理。
3.  **面向数据报：**数据报是通过网络传输的数据的基本单元，包含一个报头（header）和数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和 “荷载” 数据之间的关系。UDP协议的头部只有8个字节，相比TCP协议的头部要小得多，开销也相对小。该知识点下文详细介绍。
4.  **全双工通信：**通信允许数据在两个方向上同时传输，比如打电话，通话双方可以同时讲话。
5.  **支持广播和多播：**UDP协议支持广播和多播，可以将数据同时发送给多个主机。

**敲黑板面试题：TCP 与 UDP有什么区别？**

> **TCP 是面向有连接，采用字节流传输，数据传输可靠的全双工通信协议。**
> 
> **UDP 是面向无连接，采用数据报传输，数据传输不可靠的全双工通信协议。**

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### 2.2 UDP 协议的报文格式 ###

学习协议其中一个重要的环节就是认识协议报文格式，一个协议具体是怎么组织数据的。

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UDP报文主体分为两个部分: UDP报头(占8个字节的数据) + UDP数据 / UDP载荷

*  **荷载:**比较容易理解,里面存储的是应用层的数据报。
 *  **UDP****报头**：源端口，目的端口，报文长度，校验和，组成，每个部分占两个字节，可以描述的数据范围是 \[0, 65535\] 。

**解析报文：**

1.  **源端口**:**表示数据从哪里来**，端口号可认为是一个进程的标识（那个软件发送的信息），传输层毕竟给应用层提供服务。
2.  **目的端口**:**表示数据到哪里去**，数据报到达指定主机后，将数据报给那个软件解析（进程，通信双方约定了统一的协议格式就可以互相解析数据）。
3.  **传输层****的数据报**进入网络层后会添加网络层报头，网络层报头中会描述 源 IP 和 目的IP ,这层协议可以用来在庞大的网络环境中找到目标主机。
4.  **报文长度：描述了一条 UDP 数据报所占字节大小**，因为长度只占 2个字节，所以他能描述的数据范围是 \[0, 65535\], 所以一条 UDP 数据报最大长度是 65536 个字节 = 64KB；
5.  **校验和****：**网络传输并非完全稳定，信息的传输方式有多种多样，难免会出现意外，例如说：恶劣天气，强磁场干扰，传输介质，信号衰减等原因，所以校验和存在的目的就是用来判断一下，当前传输的数据是否出错，如果校验和不对，传输的数据一定不对，即使校验和是对的，数据也有一定的概率是错误的，校验和的校验方式通常会以数据内容（正文荷载中的数据）作为参数进行算法计算，当接收方拿到 UDP 数据报后, 把荷载中的数据拿出来代入校验和算法，再把结果与校验和比较是否相同，即可判断数据传输是否准确。（前提是输入的内容一样，按照统一算法得到的校验和结果也是一样的）。只能由接收端判断数据是否可靠，UDP 协议不提供重发机制，错了就错了，只管传输。
6.  **UDP** **数据报正文\\荷载：**里面包含的是应用层数据报的信息，UDP 报文长度（最大值） - UDP 报头即可得荷载大小，报文长度最大是可以描述 64字节，UDP整个报头占 8 个字节，所以荷载最大存储空间（一条UDP 数据报最大能携带的应用层信息）是 64 - 8 = 56字节。

**端口号详解：**

**所谓的端口，可以看作应用程序的门牌号一样**，客户端可以通过ip地址找到对应的目的端，但是目的端是有很多应用程序端口的，每个应用程序对应一个端口号；

比如说我电脑qq 给 你发了一条消息，这个条消息通过网络发送到你的电脑，进入你的电脑后，这条消息怎么能知道要给那个应用程序呢（进程）？微信也是腾讯的，也没见着能接收qq 发的消息啊，关键的就是应用程序在启动时会绑定了一个端口号（端口号在一定范围内可以随机使用），一台主机中的端口号不可重复，所以消息在进入主机后就会根据端口号将信息发送到指定应用程序，应用程序就根据应用层的数据报协议（这个可以是通信双方约定的协议，qq自己的协议）解析信息。

端口号只占两个字节，可以描述的数据范围是 \[0, 65535\] ，也就是我们可以使用的端口号只有这么多，对于小于 1024 的端口号被称之为“知名端口号”，是提供给一些名气比较大的服务器使用，例如：http 服务器的端口号位 80， ssh 的端口号为：22， ftp 服务器的端口号是 21。所以我们要在程序设计中尽量避免使用这部分端口。

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### 2.3 使用UDP 协议传输大文件时的策略 ###

上文介绍 一条 UDP 数据报最大可以传输 64 个字节，去掉报头之后有效的报文荷载只有56字节，也就是说一条 UDP 数据最多传输 56个字节的内容，对于高速发展的科技，太小了，一首歌就有几兆呢（M）。

在面对大型文件传输的时候，UDP 将一个大的数据报拆分成多个部分，使用多个 udp 数据报来传输，作为接收方（应用层）来讲，就需要与发送方（应用层）约定好数据报的解析协议。

> 例如：我qq给女朋友发送了一大段小作文(应用层的数据报)，刷刷的好几百KB, 使用 UDP 协议传输，一条UDP 数据报肯定是不够的，就可以分割成好几条数据报传输，作为接收方（女朋友）的qq, 就需要将发送过来的 UDP 数据报解析\\分用成应用层数据报，这个时候根据某种相互约定好的协议才能解析。

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**作为接收方来讲以上数据如何由多条UDP 数据报，组合成一条应用层的数据报呢 ？**

**所谓封装 UDP 数据报，分割应用层数据报什么的实质上就是字符串的拼接，也就是说数据报的本质就是字符串，协议就是描述了如何 封装\\分用\\解析 这些字符串****。**

UDP协议并没有对分割后的数据报作出重新组合的规定，这是由应用层协议负责实现（因为是应用层选择使用 UDP 协议），那么就需要根据UDP协议长度这一特性来设计应用层数据报，**一般来说，应用层协议会在发送端进行相关处理，将原始数据分割成多个UDP数据报发送出去，在接收端进行接收之后再进行重新组合**，实现方法可以有多种，比如可以在UDP首部附加序列号等信息，接收端通过这些信息来拼接数据报，包括使用一些特殊的分隔符区分一条应用层数据报等等，这方面都是可以通过应用层的手段来控制的。

**使用一些特殊的分隔符区举个例子：**

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这只是一种应用层协议约定的策略，是可以自定义的，前提是通信双方都采用该协议。

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> 当需要我们使用UDP 协议传输大文件时，还有一种方式是建议直接使用 TCP 协议传输，哈哈，即使没有 UDP 传输的快，但是数据传输的真实性高，还没有 UDP 这么麻烦，TCP 是面向字节流传输的嘛，同时也需要通信双方约定好应用层协议，方便解析信息。

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### 2.4 UDP协议的工作流程 ###

1.  应用程序将应用层数据报传输给UDP协议。
2.  UDP协议将数据封装成UDP数据报（直接在应用层数据报的基础上加上UDP 报文），包括源端口号、目的端口号、数据长度等信息。
3.  UDP协议将UDP数据报传输给IP协议。
4.  IP协议将UDP数据报封装成IP数据报，包括源IP地址、目的IP地址等信息。
5.  IP数据报通过网络传输到目的主机。
6.  目的主机的IP协议将IP数据报解封装成UDP数据报。
7.  UDP协议将UDP数据报传输给应用程序

> **总结：**UDP协议是一种简单、快速的传输协议，适用于实时应用程序和需要快速传输数据的应用场景。但是由于它不保证数据传输的可靠性，因此在传输重要数据时需要使用其他协议，如TCP协议。

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到这里，网络编程中的 UDP 协议博主已经分享完了，希望对大家有所帮助，如有不妥之处欢迎批评指正。

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本期收录于博主的专栏——JavaEE，适用于编程初学者，感兴趣的朋友们可以订阅，查看其它“JavaEE基础知识”。

下期

感谢每一个观看本篇文章的朋友，更多精彩敬请期待：保护小周ღ **\*★,°\*:.☆(￣▽￣)/$:\*.°★\***

遇见你，所有的星星都落在我的头上……

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