TCP/IP协议分析主讲：孟慧第7章 用户数据报协议（UDP）第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议本章要求1.理解传输层在理解传输层在TCP/IPTCP/IP协议模型中的位置及作用协议模型中的位置及作用2.了解了解UDPUDP数据传输服务的特点数据传输服务的特点3.理解端口机制理解端口机制4.了解了解UDPUDP数据报格式数据报格式5.了解了解UDPUDP的封装和复用的封装和复用第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议传输层传输层传输层传输层1UDPUDP协议协议协议协议2第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议传输层传输层传输层传输层1UDPUDP协议协议协议协议2第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议传输层协议TCP/UDP将接收的数据正确地交付到目的进程。将接收的数据正确地交付到目的进程。将接收的数据正确地交付到目的进程。将接收的数据正确地交付到目的进程。整个网络体系结构中的重要层次之一。整个网络体系结构中的重要层次之一。整个网络体系结构中的重要层次之一。整个网络体系结构中的重要层次之一。包括两个协议包括两个协议包括两个协议包括两个协议UDPUDPUDPUDP（用户数据报协议），向应用层（用户数据报协议），向应用层（用户数据报协议），向应用层（用户数据报协议），向应用层提供无连接的数据报交付服务。提供无连接的数据报交付服务。提供无连接的数据报交付服务。提供无连接的数据报交付服务。 TCPTCPTCPTCP（传输控制协议），向应用层提（传输控制协议），向应用层提（传输控制协议），向应用层提（传输控制协议），向应用层提供面向连接的可靠的数据流服务。供面向连接的可靠的数据流服务。供面向连接的可靠的数据流服务。供面向连接的可靠的数据流服务。要解决的一个重要问题要解决的一个重要问题要解决的一个重要问题要解决的一个重要问题增加协议端口机制增加协议端口机制 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议7传输层协议TCP/UDPTCPTCPUDPUDPTransport Transport layerlayerApplication layerApplication layerNetwork layerNetwork layer运输层责任n 创建进程到进程的通信；n 在运输层提供流控制机制和差错控制；第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议UDPUDP广泛应用于广泛应用于简单的请求简单的请求- -应答查询以及快速递交比应答查询以及快速递交比精确递交更为重要的场合。精确递交更为重要的场合。如：若一进程想发送一个很短的报文而不关心可靠性，如：若一进程想发送一个很短的报文而不关心可靠性，它就可以使用它就可以使用UDPUDP。使用。使用UDPUDP发送一个很短的报文，在发送一个很短的报文，在发送器和接收器之间的交互要比使用发送器和接收器之间的交互要比使用TCPTCP时少得多。时少得多。TCPTCP就是为了就是为了在不可靠的互联网上提供一个可靠的端到在不可靠的互联网上提供一个可靠的端到端、面向字节流连接而设计的。端、面向字节流连接而设计的。它为它为IPIP服务增加了面服务增加了面向连接和可靠性的特点。向连接和可靠性的特点。TCPTCP提供了传输层几乎所有的提供了传输层几乎所有的功能，是个非常复杂的协议。它保证数据传送可靠、功能，是个非常复杂的协议。它保证数据传送可靠、按需、无丢失和无重复。按需、无丢失和无重复。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议数据的差错控制ABtimeData Data Data Data ABACKACKtimeData Data TCP/UDPTCP/UDP协议第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议数据的差错控制timeABDATA0ACKDATA1ACKDATA0ACKABDATA0loseretransmittingtoutDATA0retransmittingtoutACKdiscardABDATA0ACKlose第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议54321运输层提供应用进程间的逻辑通信主机 A主机 B应用进程应用进程路由器 1路由器 2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP 层LAN1AP1AP2AP4端口端口54321IP 协议的作用范围运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围AP3运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议传输层传输层传输层传输层1UDPUDP协议协议协议协议2UDP服务服务UDP的端口号的端口号UDP报文段报文段多路复用和多路分解多路复用和多路分解第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议UDP服务UDPUDPUDPUDP仅从进程接收数据单元，没有仅从进程接收数据单元，没有仅从进程接收数据单元，没有仅从进程接收数据单元，没有流量控制流量控制流量控制流量控制和和和和确认机制确认机制确认机制确认机制。UDPUDP叫做叫做无连接的、不可靠的无连接的、不可靠的运输协议。除了提供进程到进程运输协议。除了提供进程到进程的通信及有限的差错检验外，没有给的通信及有限的差错检验外，没有给IPIP服务添加任何东西服务添加任何东西UDPUDPUDPUDP发出的每一个用户数据报都是独立的数据报，都携带了完发出的每一个用户数据报都是独立的数据报，都携带了完发出的每一个用户数据报都是独立的数据报，都携带了完发出的每一个用户数据报都是独立的数据报，都携带了完整的目标地址，在系统中独立的路由。整的目标地址，在系统中独立的路由。整的目标地址，在系统中独立的路由。整的目标地址，在系统中独立的路由。 用户数据报用户数据报用户数据报用户数据报不进行编号不进行编号不进行编号不进行编号。即。即。即。即UDPUDPUDPUDP保留应用程序定义的报文边界，保留应用程序定义的报文边界，保留应用程序定义的报文边界，保留应用程序定义的报文边界，不把单个应用报文划分成几部分，也不把几个应用报文组合不把单个应用报文划分成几部分，也不把几个应用报文组合不把单个应用报文划分成几部分，也不把几个应用报文组合不把单个应用报文划分成几部分，也不把几个应用报文组合在一起。在一起。在一起。在一起。UDPUDPUDPUDP封装成封装成封装成封装成IPIPIPIP数据报数据报数据报数据报的格式。的格式。的格式。的格式。UDPUDPUDPUDP是一个非常简单的协议，只有最小的开销。若一个进程是一个非常简单的协议，只有最小的开销。若一个进程是一个非常简单的协议，只有最小的开销。若一个进程是一个非常简单的协议，只有最小的开销。若一个进程 想发送一个很小的报文而不关心可靠性，就可以使用想发送一个很小的报文而不关心可靠性，就可以使用想发送一个很小的报文而不关心可靠性，就可以使用想发送一个很小的报文而不关心可靠性，就可以使用UDPUDPUDPUDP。使用使用使用使用UDPUDPUDPUDP发送一个很短的报文，在发送器和接收器之间的交互发送一个很短的报文，在发送器和接收器之间的交互发送一个很短的报文，在发送器和接收器之间的交互发送一个很短的报文，在发送器和接收器之间的交互要比使用要比使用要比使用要比使用TCPTCPTCPTCP时小得多。时小得多。时小得多。时小得多。 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议端口和端口号传输传输传输传输层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是(1)(1)不能不能不能不能把进程作为通信的最终目的地把进程作为通信的最终目的地把进程作为通信的最终目的地把进程作为通信的最终目的地 进程是动态的进程是动态的进程是动态的进程是动态的 进程可能改换进程可能改换进程可能改换进程可能改换 发送方通常不知道与哪个进程打交道发送方通常不知道与哪个进程打交道发送方通常不知道与哪个进程打交道发送方通常不知道与哪个进程打交道第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议15进程进程到进程的通信到进程的通信InternetInternet进程进程 ( (运行的应用程序运行的应用程序) )进程进程 ( (运行的应用程序运行的应用程序) )IP IP 协议的作用范围协议的作用范围UDP UDP 协议的作用范围协议的作用范围第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议确定确定最终目的地最终目的地 协议端口协议端口主机如何将接收的数据正确地交付到目的进程？主机如何将接收的数据正确地交付到目的进程？主机如何将接收的数据正确地交付到目的进程？主机如何将接收的数据正确地交付到目的进程？ uu多任务操作系统，允许多个应用程序同时执行，多任务操作系统，允许多个应用程序同时执行，多任务操作系统，允许多个应用程序同时执行，多任务操作系统，允许多个应用程序同时执行，每个正在运行的程序都会产生一个或更多进程。每个正在运行的程序都会产生一个或更多进程。每个正在运行的程序都会产生一个或更多进程。每个正在运行的程序都会产生一个或更多进程。两个主机通信实际上是主机两个主机通信实际上是主机两个主机通信实际上是主机两个主机通信实际上是主机中的应用进程之间互相通信中的应用进程之间互相通信中的应用进程之间互相通信中的应用进程之间互相通信两种情况两种情况两种情况两种情况IPIPIPIP地址只能标识一个主机，不标识应用进地址只能标识一个主机，不标识应用进地址只能标识一个主机，不标识应用进地址只能标识一个主机，不标识应用进程，则程，则程，则程，则IPIPIPIP协议只能把分组送到目的主机。协议只能把分组送到目的主机。协议只能把分组送到目的主机。协议只能把分组送到目的主机。而进程可以看作一条报文的最终目的地。而进程可以看作一条报文的最终目的地。而进程可以看作一条报文的最终目的地。而进程可以看作一条报文的最终目的地。 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议最终目的地是什么？n n 将进程作为最终目的地，从技术上实现较为困难。将进程作为最终目的地，从技术上实现较为困难。将进程作为最终目的地，从技术上实现较为困难。将进程作为最终目的地，从技术上实现较为困难。uu 没有把进程看作通信的最终目的地。没有把进程看作通信的最终目的地。没有把进程看作通信的最终目的地。没有把进程看作通信的最终目的地。uu 把每台机器上的进程看作是一系列抽象的目的点，把每台机器上的进程看作是一系列抽象的目的点，把每台机器上的进程看作是一系列抽象的目的点，把每台机器上的进程看作是一系列抽象的目的点，称为称为称为称为协议端口协议端口协议端口协议端口(protocol port)(protocol port)(protocol port)(protocol port)。uu 协议端口由一个协议端口由一个协议端口由一个协议端口由一个正整数正整数正整数正整数标识。标识。标识。标识。uu 本地的操作系统提供一个接口机制，进程通过它来本地的操作系统提供一个接口机制，进程通过它来本地的操作系统提供一个接口机制，进程通过它来本地的操作系统提供一个接口机制，进程通过它来指定并接入到协议端口。指定并接入到协议端口。指定并接入到协议端口。指定并接入到协议端口。 TCP/IPTCP/IP的做法的做法的做法的做法相当于服务窗口与服务员的关系相当于服务窗口与服务员的关系第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议 端口分配有两种基本方式端口分配有两种基本方式uu 统一分配统一分配统一分配统一分配中央管理机构发布分配的所有端口号中央管理机构发布分配的所有端口号的列表，大家都遵从。的列表，大家都遵从。uu 动态绑定动态绑定动态绑定动态绑定应用程序需要使用端口时临时指定一个应用程序需要使用端口时临时指定一个端口。通信双方使用请求与应答的方式端口。通信双方使用请求与应答的方式知道对方的端口号。知道对方的端口号。TCP/IPTCP/IP协议族中使用端口号来标识进程。协议族中使用端口号来标识进程。UDPUDP可以根据端可以根据端口号对来自应用层的数据进行多路复用。口号对来自应用层的数据进行多路复用。UDPUDP在完成进程在完成进程到进程之间的通信中采用的是客户到进程之间的通信中采用的是客户/ /服务器工作模式服务器工作模式。端口的分配 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议20IANA IANA 将端口号划分为三个将端口号划分为三个范围范围0 01023102310241024491514915149152491526553565535熟知的熟知的注册的注册的动态的动态的n 熟知端口: 从0至1023。由IANA指派和控制。n 注册端口: 从1024至49151。IANA不指派也不控制，它们可在IANA注册以防止重复。n 动态端口: 从49152至65535。即不用指派也不用注册，它们可以由任何进程来使用，这些是短暂端口。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议21套接字地址套接字地址200.23.56.8200.23.56.8IP IP 地址地址6969端口号端口号200.23.56.8200.23.56.8Socket Socket 地址地址6969 UDP UDP 需要两个标识符：需要两个标识符：IPIP地址和端口号。它们各用在地址和端口号。它们各用在一端以建立一条连接。一端以建立一条连接。一个一个IPIP地址与一个端口号地址与一个端口号合起来就叫做合起来就叫做SocketSocket地址。地址。 要使用要使用UDPUDP的服务，我们的服务，我们需要需要一对一对SocketSocket地址：客户地址：客户SocketSocket地址和服务器地址和服务器SocketSocket地址。地址。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议端口和端口号传输传输传输传输层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是层要提供端到端的进程通信，但是1 1）不能把进程作为通信的最终目的地）不能把进程作为通信的最终目的地）不能把进程作为通信的最终目的地）不能把进程作为通信的最终目的地为每个协议按用户可能要求的服务种类设置一些抽象的访问目的点协议.OS提供机制，创提供机制，创建或唤醒相应进建或唤醒相应进程来处理相应端程来处理相应端口数据口数据数据报数据报端口：端口：用一个用一个16bit16bit的正整数标识，称为的正整数标识，称为端口号端口号端口的数据管理：端口的数据管理：每一端口有一缓冲区来每一端口有一缓冲区来存放进出该端口的数据队列存放进出该端口的数据队列2）用协议的端口作为最终目的地）用协议的端口作为最终目的地第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议理解协议端口为了能够与外部端口通信，发送方不仅要知为了能够与外部端口通信，发送方不仅要知道目的机器的道目的机器的IP地址，还要知道该机器内的协地址，还要知道该机器内的协议端口号。议端口号。uu 数据链路层使用数据链路层使用数据链路层使用数据链路层使用物理地址物理地址物理地址物理地址寻址寻址寻址寻址uu IP IP IP IP协议使用协议使用协议使用协议使用IPIPIPIP地址地址地址地址寻址寻址寻址寻址uu UDP UDP UDP UDP和和和和TCPTCPTCPTCP协议通过协议通过协议通过协议通过协议端口协议端口协议端口协议端口寻址寻址寻址寻址 各层都有该层协议使用的地址各层都有该层协议使用的地址各层都有该层协议使用的地址各层都有该层协议使用的地址除目的端口号外除目的端口号外除目的端口号外除目的端口号外, ,还有源端口号。还有源端口号。还有源端口号。还有源端口号。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议源端口源端口源端口源端口0 016163131目的端口目的端口目的端口目的端口报文长度报文长度报文长度报文长度数数数数 据据据据 区区区区校验和校验和校验和校验和 UDP报文1 1UDPUDP的报文格式的报文格式的报文格式的报文格式UDPUDP首部首部首部首部UDPUDP数据区数据区数据区数据区该该该该UDPUDP数据报的总字节数数据报的总字节数数据报的总字节数数据报的总字节数则数据的长度为则数据的长度为则数据的长度为则数据的长度为该字段提供了惟一的途径该字段提供了惟一的途径该字段提供了惟一的途径该字段提供了惟一的途径来保证数据的正确性。来保证数据的正确性。来保证数据的正确性。来保证数据的正确性。 主要功能主要功能主要功能主要功能增加了对给定主机上的多个目的进程进行区增加了对给定主机上的多个目的进程进行区增加了对给定主机上的多个目的进程进行区增加了对给定主机上的多个目的进程进行区别和对数据区内容进行校验的能力。别和对数据区内容进行校验的能力。别和对数据区内容进行校验的能力。别和对数据区内容进行校验的能力。和和和和IPIPIPIP一样的不可靠、无连接数据报交付服务。一样的不可靠、无连接数据报交付服务。一样的不可靠、无连接数据报交付服务。一样的不可靠、无连接数据报交付服务。提供的服务提供的服务提供的服务提供的服务65535-20-8=655070 065507B65507B第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议UDP的封装和拆封IPIPIPIP首部首部首部首部IPIPIPIP数据区数据区数据区数据区帧首部帧首部帧首部帧首部帧的数据区帧的数据区帧的数据区帧的数据区UDPUDPUDPUDP首部首部首部首部UDPUDPUDPUDP数据区数据区数据区数据区指明指明源主机源主机和和目目的主机的主机的地址的地址 概念层次概念层次概念层次概念层次位于应用层之下，位于应用层之下，位于应用层之下，位于应用层之下，IPIPIPIP层之上。层之上。层之上。层之上。封封封封 装装装装指明指明相邻接点相邻接点的的的的MACMAC地址地址 当进程有报文要通过当进程有报文要通过UDPUDP发送时，将发送时，将UDPUDP封装封装成一份成一份IPIP数据报。数据报。 当这个报文到达目的主机网络层，剥去当这个报文到达目的主机网络层，剥去IPIP首首部后，将用户数据报连同发送端和接收端的部后，将用户数据报连同发送端和接收端的IPIP地址一起传递给地址一起传递给UDP。 指明主机上指明主机上的的源端口源端口或或目的端口目的端口 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议伪首部 UDP检验和包括：伪首部、UDP首部以及从应用层来的数据 伪首部既不向下传送，也不向上递交。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议伪首部 伪首部源端口目的端口长 度检验和数 据首 部UDP长度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议发送端的检验和计算：发送端的检验和计算：l伪首部填加到UDP用户数据报上。检验和字段置零；l以16bit为单位。若字节总数不是偶数，则增加一个字节的填充；l所有的16bit段使用反码算术运算相加，把得到的结果取反码后插入到检验和字段。 l伪首部和任何增加的填充丢掉，把UDP用户数据报交付给IP软件进行封装。接收端的检验和计算：接收端的检验和计算：l伪首部加到UDP用户数据报。若需要，增加填充；l以16bit为单位，把所有的16bit段使用反码算术运算相加；l得到的结果取反码。若得到的结果是全0，则丢弃伪首部和任何增加的填充并接受这个UDP用户数据报。 若结果非0，说明接收端检测到校验和有差错，就丢弃这个UDP用户数据报。校验和计算第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议举例举例下图给出了对只有下图给出了对只有7 7字节数据的非常小的用户数据报字节数据的非常小的用户数据报的检验和计算。因为数据的字节数是奇数，故计算检验的检验和计算。因为数据的字节数是奇数，故计算检验和就要加上填充。当用户数据报要交付给和就要加上填充。当用户数据报要交付给IPIP时，应将伪时，应将伪首部和填充丢掉。首部和填充丢掉。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议UDPUDP基于端口的多路复用和多路分解基于端口的多路复用和多路分解接受多个应用程序送来的数据接受多个应用程序送来的数据接受多个应用程序送来的数据接受多个应用程序送来的数据报，把它们送给报，把它们送给报，把它们送给报，把它们送给IPIPIPIP层进行传输层进行传输层进行传输层进行传输 接收从接收从接收从接收从IPIPIPIP层送来的层送来的层送来的层送来的UDPUDPUDPUDP数据报，数据报，数据报，数据报，并把它们送给适当的应用程序并把它们送给适当的应用程序并把它们送给适当的应用程序并把它们送给适当的应用程序通过通过通过通过端口机制端口机制端口机制端口机制实现实现实现实现应用程序应用程序应用程序应用程序3 3 3 3应用程序应用程序应用程序应用程序2 2UDPUDP基于端口的多路复用基于端口的多路复用基于端口的多路复用基于端口的多路复用IPIP层层层层端口端口端口端口1 1端口端口端口端口3 3端口端口端口端口2 2发送方发送方发送方发送方应用程序应用程序应用程序应用程序1 1应用程序应用程序应用程序应用程序3 3 3 3应用程序应用程序应用程序应用程序2 2 2 2UDPUDP基于端口的多路分解基于端口的多路分解基于端口的多路分解基于端口的多路分解IPIP层层层层端口端口端口端口1 1端口端口端口端口3 3端口端口端口端口2 2接收方接收方接收方接收方应用程序应用程序应用程序应用程序1 1理解理解UDPUDP端口的最简单的方式是把它看成是一个队列。端口的最简单的方式是把它看成是一个队列。 多路复用多路复用多路复用多路复用 - - 多路分解多路分解多路分解多路分解 - - 第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议 复用复用在发送端，可能有多个进程需要发送用户数据报。但是，在发送端，可能有多个进程需要发送用户数据报。但是，只有一个只有一个UDPUDP。这是一个多对一的关系，因而需要复用。这是一个多对一的关系，因而需要复用。UDPUDP从不同的进程接收报文，这些进程是由指派给它们的从不同的进程接收报文，这些进程是由指派给它们的端口号来区分的。在加上首部后，端口号来区分的。在加上首部后，UDPUDP就将用户数据报送就将用户数据报送往往IPIP。 分用分用在接收端也只有一个在接收端也只有一个UDPUDP。但我们有多个进程可能接收用。但我们有多个进程可能接收用户数据报。这就是一个一对多的关系，因而需要分用。户数据报。这就是一个一对多的关系，因而需要分用。UDPUDP从从IPIP接收用户数据报。经过差错检验后就丢掉首部。接收用户数据报。经过差错检验后就丢掉首部。UDPUDP根据端口号将每一个报文交付到适当的进程。根据端口号将每一个报文交付到适当的进程。UDPUDP基于端口的多路复用和多路分解基于端口的多路复用和多路分解第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议端口的多路复用与多路分解帧到达以太网帧类型IP协议域第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议UDPUDP的应用的应用适用需要简单的请求适用需要简单的请求响应通信的进程，而不太关心流量控制和差错控响应通信的进程，而不太关心流量控制和差错控制。而快速递交比精确递交更为重要的场合。制。而快速递交比精确递交更为重要的场合。 适用于具有内部流量控制和差错控制机制的进程。适用于具有内部流量控制和差错控制机制的进程。 适合多播和广播的运输协议。适合多播和广播的运输协议。 可用于管理进程，如简单网络管理协议可用于管理进程，如简单网络管理协议SNMPSNMP。 可用于某些路由选择更新协议。可用于某些路由选择更新协议。UDPUDP被用于被用于RIPRIP选路表的更新。选路表的更新。 可用于引导程序协议（可用于引导程序协议（BOOTPBOOTP）与实时传输协议一起使用，对多媒体是很方便的一种协议与实时传输协议一起使用，对多媒体是很方便的一种协议。UDPUDP通常不用于传送成块数据的进程。通常不用于传送成块数据的进程。应用层使用UDP的有：TFTP（69）, BOOTP（67,68）, SNMP（161,162）, NFS, RPC（111）, DNS第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议本章小结UDPUDP是建立进程到进程间通信的传输层协议。是建立进程到进程间通信的传输层协议。UDPUDP是一种不可靠、无连接协议，需要很小的开销而提供快是一种不可靠、无连接协议，需要很小的开销而提供快速的交付。速的交付。UDPUDP没有流量控制和拥塞控制，只依靠校验和来实现低水平没有流量控制和拥塞控制，只依靠校验和来实现低水平差错控制。差错控制。UDPUDP传输过程中可能丢失、失序，在收到一个坏的数据段后传输过程中可能丢失、失序，在收到一个坏的数据段后也不重传。也不重传。UDPUDP支持多播和广播。支持多播和广播。第第7 7章章 用户数据报协议用户数据报协议