伯阳的网络笔记：UDP & IP

0. 前言

UDP 单独拿出来讲，其实内容不算特别多，所以这一篇我干脆把 IP 的一些基础内容也放进来一起看。

对于一个 iOS 开发者来说，IP 协议已经算是非常底层了，不一定需要背得特别细，但至少要知道：

1. UDP 到底比 TCP 少了什么；
2. UDP 在 IP 之上到底只加了哪些最基本的信息；
3. IP 层又负责哪些更底层的事情。

1. UDP 是何物？

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一个传输层协议，在 RFC 768 中定义。

它提供的是一种按消息为单位的、不可靠的传输服务。也就是说：

• 它能把一份完整消息发出去；
• 但它不保证一定送达；
• 也不保证按顺序送达；
• 更不会像 TCP 那样帮你重传、排队、去重。

除了复用功能以及少量差错检测之外，它几乎没有在 IP 之上增加太多东西。所以很多时候，使用 UDP 的感觉，其实已经差不多是在直接和 IP 打交道了。

这里顺便说一下“数据报”这个词：

• 数据报（Datagram）
  • 一个完整、独立的数据实体；
  • 自己携带从源到目的地所需的基本信息；
  • 不依赖之前或之后的数据交换状态。

2. UDP 的特点

UDP 的特点，不在于它额外引入了多少复杂机制，而恰恰在于它主动省略了很多 TCP 拥有的能力。

• 无需建立连接
  • TCP 在发送数据前需要三次握手；
  • UDP 则可以直接发。
• 无连接状态
  • 不需要长期维护连接状态；
  • 更适合一些短消息、流媒体、语音、游戏这类对时延更敏感的场景。
• 首部开销小
  • UDP 首部很短；
  • 协议处理逻辑也更简单。
• 时延更低
  • 没有握手带来的启动成本；
  • 也没有 TCP 那种重传、拥塞控制、按序交付的额外等待。

UDP 在 IP 之上只加了什么

这个要从 IP 协议说起。

IP 协议的主要任务，是按照地址把数据报从源主机送到目标主机。为此，消息会先被封装进一个 IP 分组，里面至少要写清楚源地址、目标地址，以及一些路由和分片相关的控制信息。

而 UDP 在 IP 之上做的事情其实很少：它只额外增加了一层很薄的首部，核心就是下面这几个字段：

字段	作用
源端口	发送方进程的端口号。IPv4 中可以为 0，表示未使用。
目的端口	接收方进程的端口号。
长度	UDP 首部 + UDP 数据的总长度。
校验和	用于校验 UDP 首部、数据以及伪首部。

这几个字段的作用分别可以理解成：

• 源端口
  • 发送方进程的端口号；
  • 某些场景下接收方可以根据它回消息；
  • 但它并不是绝对必须的。
• 目的端口
  • 数据最终要交给目标主机上的哪个进程；
  • 这是 UDP 复用能力里最关键的字段。
• 长度
  • 表示整个 UDP 报文的大小；
  • 包括 UDP 首部和数据本身。
• 校验和
  • 用于校验 UDP 首部、数据，以及伪首部中的相关信息；
  • 这是端到端意义上的校验，和 IP 头部自己的校验不是一回事。

这里需要特别强调一个很容易说错的点：

• IPv4 头部确实自带校验和；
• 但这个校验和只覆盖 IP 头部本身；
• 它并不能替代 UDP 对自身首部和数据的校验。

所以不能简单说“IP 自己有校验码，UDP 可以直接用”。这是两层不同的事情。

另外再补一句：

• 在 IPv4 里，UDP 校验和可以为 0，表示发送方没有计算；
• 但在 IPv6 里，UDP 校验和一般不能省略。

UDP 的消息边界

TCP 是字节流协议，它不保留应用层消息边界；而 UDP 不一样，它保留的是报文边界。

也就是说：

• 应用层发出去的一次 sendto，对接收方来说就是一份完整消息；
• 接收方要么拿到完整的一份 UDP 报文；
• 要么这份报文直接丢失；
• 不会像 TCP 那样把一条消息拆成多个有序片段再交给你重组。

但这里也要注意一个容易误解的点：

UDP 保留消息边界，不等于 “UDP 数据报在网络层绝对不会被分片”。

实际上：

• UDP 本身不负责分段、重传、排序和重组；
• 但它承载的数据在经过 IP 层传输时，仍然可能被 IP 层分片；
• 只是对应用层来说，最终交付单位依然是一份完整 UDP 报文，而不是一个字节流。

3. IP

IP（Internet Protocol，网际协议）是网络层协议。它最核心的任务很简单：

• 给数据报寻址；
• 决定数据往哪里走；
• 尽力把它送到目标主机。

IP 是无连接的

IP 是面向无连接的。

也就是说，在发送数据之前，它不需要像 TCP 那样先和目标建立连接。它看到的只是一个个独立的分组，然后尽力转发。

这也决定了 IP 本身的风格：

• 不保证可靠送达；
• 不保证按序；
• 不保证不重复；
• 更不关心“这是第几次通信”。

这些事情，如果上层需要，就交给 TCP 这种协议自己去补。

4. IPv4 & IPv6

IPv4 地址长度是 32 位；随着互联网规模越来越大，地址逐渐不够用了，于是就有了 IPv6。

IPv6 地址长度是 128 位，也就是 IPv4 的 4 倍。

这两者除了地址长度不一样之外，首部设计思路也有变化。简单对比如下：

项目	IPv4	IPv6
地址长度	32 位	128 位
首部长度	可变，最少 20 字节	固定 40 字节
头部校验和	有	没有
分片方式	路由器和主机都可能参与	主要由源主机负责，使用扩展头
扩展能力	依赖选项字段	使用扩展头机制

如果只从学习角度记，我觉得最值得记住的是这几件事：

1. IPv6 不只是“地址更长”；
2. 它也顺手把很多旧设计重新整理了，比如首部固定长度、去掉头部校验和、改进扩展能力；
3. 从现代网络演进方向来看，IPv6 显然更适合继续扩展。

这里就不继续把每个字段都展开了，有兴趣的话可以继续翻《图解 TCP/IP》或者直接看相关 RFC。

5. 小结

如果把这一篇压缩成几句话，我觉得可以这么记：

• UDP 是一个非常薄的传输层协议；
• 它在 IP 之上只增加了最基本的端口、长度和校验能力；
• 它保留消息边界，但不提供 TCP 那种可靠、有序、可重传的字节流语义；
• IP 则更底层，只负责寻址和转发，不保证可靠性；
• IPv6 不只是地址变长，而是对整个 IP 首部设计做了一次更现代化的整理。

资料

RFC 768

《图解 TCP/IP》