5.2 UDP
5.2.1 UDP 数据报
1. UDP 概述
UDP 仅在 IP 层的数据报服务之上增加了复用、分用和差错检测的功能。若应用开发者选择 UDP 而非 TCP，则应用程序几乎直接与 IP 打交道。尽管 TCP 提供可靠服务，而 UDP 不提供，但 TCP 并非总是首选。许多应用更适合采用 UDP，主要原因如下。
- UDP 是无连接的，没有建立连接的时延。TCP 需要在主机中维护连接状态(包括发送和接收缓存、拥塞控制参数、序号和确认序号等)，而 UDP 无须维护这些状态。
- UDP 是面向报文的。发送方 UDP 对应用层交下的报文，在添加首部后即向下交付给 IP 层，一次发送一个完整的报文(不可分割)，既不合并也不拆分，而是保留报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文，若报文太长，则交付给 IP 层后，可能导致分片；若报文太短，则会使 IP 首部的开销占比过大。两者均会降低传输效率。相比之下，TCP 是面向字节流的，每个字节都有编号，支持自动拆分与重组，对报文长度无限制。
- UDP的首部开销小，仅有8B；而TCP首部至少20B。
- UDP支持一对一、一对多和多对多的通信。TCP仅支持一对一的通信。
- UDP 没有拥塞控制，因此网络拥塞不会影响源主机的发送速率。某些实时应用要求以稳定的速率发送数据，可以容忍少量丢包，但无法接受较大的传输时延。
UDP 常用于一次性传输少量数据的应用(如 DNS、DHCP 等)，因为 TCP 的连接建立、维护和释放会带来显著开销。UDP 也广泛用于多媒体应用(如视频会议、流媒体等)，因为这些应用更关注低时延而非可靠性，而 TCP 的拥塞控制会引入不可接受的延迟。
UDP 不保证可靠交付，但这并不意味着应用不要求可靠性——所有可靠性机制可由应用层自行实现，开发者可根据需求灵活设计。
2. UDP 的首部格式
UDP 数据报包含两部分：首部字段和数据字段。UDP 首部有 8B，由 4 个字段组成，每个字段的长度都是 2B，如图 5.2 所示。各个字段的意义如下：
源端口号。发送进程的端口号。需要对方回复时选用，不需要回复时可置为全0。目的端口号。接收进程的端口号。该字段在所有UDP报文中都必须有效。长度。UDP 数据报的长度(包括首部和数据)，其最小值是8(仅有首部)。检验和。由发送方的传输层计算并写入，接收方的传输层检测是否有差错，有错就丢弃。在IPv4中，该字段可置为全0表示未使用(但不建议)，在IPv6中则强制启用。
当传输层从 IP 层收到 UDP 数据报时，就根据首部中的目的端口，把 UDP 数据报通过相应的端口，上交给最后的终点——应用进程。
若接收方 UDP 发现收到的报文中的目的端口号不正确(不存在对应于端口号的应用进程)，则丢弃该报文，并由 ICMP 发送 “端口不可达” 差错报文给发送方。
5.2.2 UDP 检验
在计算检验和时，要在UDP数据报之前增加12B的伪首部，伪首部并不是UDP的真正首部。只是在计算检验和时，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。检验和就是按照这个临时的UDP数据报来计算的。伪首部既不向下传递给网络层，也不向上递交给应用层，而只是为了计算检验和。
UDP 检验和的计算方法与 IP 首部检验和基本类似。不同之处在于：IP 检验和只检验 IP 数据报的首部，而 UDP 检验和把首部和数据部分一起检验。
UDP 计算检验和的过程：在发送方，首先将检验和字段置为全 0，然后将伪首部与 UDP 数据报视为一连串 16 位字。若 UDP 数据部分的长度为奇数个字节，则在计算时末尾补一个全 0B (该填充字节仅在计算检验和时临时添加，不影响实际发送的数据内容)。随后，按二进制反码规则对所有 16 位字求和，并将结果的反码填入检验和字段后发送。在接收方，将收到的 UDP 数据报与伪首部重新组合(同样在必要时补全字节)，再按二进制反码求和。若无差错，则结果应为全 1(16 位全为 1)；否则说明有差错，接收方应丢弃该 UDP 数据报。
二进制反码求和的运算规则：
- 从低位到高位逐列进行计算，，， 并产生进位1；
- 若最高位相加后产生进位，则需将该进位加到结果的最低位，该过程称为回卷。以下通过一个简单示例说明，假设有以下3个16位字：
先将前两个字相加，得
再将结果与第三个字相加(最高位产生进位，需加至最低位)，得
最后对上述相加结果取反码，就得到检验和：
在接收方，将包括检验和在内的4个16位字相加，若结果为11111111 11111111，则判定无差错；若结果中的某些位是0，则说明有差错。
NOTE
- 若 UDP 检验和检验出数据报错误，通常应丢弃该报文；尽管 RFC 允许将其交付上层并附带错误指示，但实际实现中极少采用。
- 通过伪首部，UDP 不仅能校验源端口、目的端口 和数据内容，还能检测 IP 首部中的源地址和目的地址 是否在传输过程中因错误而改变。
这种差错检验机制虽然检错能力有限，但其优势在于计算简单、处理速度快。