小菜学编程
上一小节，我们学习了传输层的基本原理。这一层有两个非常重要协议： UDP 和 TCP 。这一小节，我们开始学习 UDP 协议。
报文结构
UDP 是 用户数据包协议 （ user datagram protocol ）的简称，它是一种简单的数据报式传输层协议。UDP 数据报结构非常简单，头部只包含端口号等若干个字段：
由于 UDP 位于传输层，因而报文有时也称为 UDP 段或 UDP 分组。UDP 报文也分为头部和数据两个部分，结构跟我们在上节讨论的传输层段几乎一模一样。其中，头部只有 4 个字段：
- 源端口（ source port ），发送方的端口号；
- 目的端口（ destination port ），接收方的端口号；
- 报文长度（ length ），即整个 UDP 报文的长度，包括头部和数据，单位为 字节 。
- 检验和（ checksum ）；
UDP 报文需要借助 IP 协议提供的主机通信能力，作为数据搭载在 IP 包中发往目标主机：
长度
那一个 UDP 报文，最多可以承载多少数据呢？
由于报文长度字段为 16 字节，因此 UDP 报文理论上可以达到 $2^{16}$ ，也就是 65535 字节。除去头部，UDP 包最多可以承载的数据量是： $2^{16} - 8$ ，也就是 65527 字节。
但 UDP 报文需要作为数据，搭载在 IP 包中进行网际通信。因此，UDP 报文大小最多也就是 IP 包的最大长度 65535 字节。换句话讲，UDP 报文长度不可能超过 $65535 - 20 -8$ ，也就是 65507 字节。其中，20 是 IP 包头部的最小长度。
校验和
由于 IP 包只对头部做校验和，无法对数据部分进行纠错，因此 UDP 为自己实现校验和。
发送方为 UDP 数据报计算校验和，并将其保存在校验和字段中；接收方收到报文后，重新计算校验和并与报文中的校验和字段进行对比；以此确定报文在传输的过程中是否发生差错。
这个过程与以以太网帧校验和机制大致相同，本无须多言。但还是有一点需要特别注意：
与 IP 校验和不同，UDP 整个报文都会参与校验和计算。除此之外，UDP 还会在报文前面拼接一个 IP 伪头部，同时参与校验和计算。IP 伪头部只用于计算校验和，不会真的发送。IP 伪头部会包含 IP 层的核心信息，包括：
- 源地址
- 目的地址
- 协议类型
- 报文长度
IP 已经有了首部校验和了，UDP 校验和计算为什么还要考虑这些关键字段呢？
答案很简单：再上一道保险。
因为校验和长度是有限的，所以存在多个不同的 IP 包头，对应到同一个校验和的情况。换言之，校验和机制可能会漏判： IP 包头已经发生差错，但计算出来的校验和仍然匹配。
这样的话，系统可能会错收 UDP 包：假设 UDP 报文在传输过程中 IP 头部发生差错，目的地址变了，但 IP 头部校验和刚好揪不出。这时，“目的主机”就会错收这个 UDP 报文。
将 IP 包关键字段纳入 UDP 校验和计算后，就算 IP 层没能揪出 IP 包头部差错，UDP 层也很有可能会发现。当然了， UDP 校验和也可能会漏判，这时就只能由应用层来纠错了。
通信过程
我们回过头来考察一下 UDP 协议的通信过程，以时间同步进程请求时间服务为例：
- 时间同步进程通过 套接字（ socket ）将请求数据提交给操作系统，套接字负责维护通信双方相关信息，包括地址端口对；
- 操作系统接到数据后，将数据封装到一个 UDP 数据报，头部注明通信双方的端口号，这个信息来自套接字；
- UDP 报文需要借助 IP 包发往目标主机，因此操作系统将 UDP 报文作为数据封装成 IP 包，IP 包头部注明通信双方的地址，这个信息同样来自套接字；
- IP 包发送出去后，将经过若干条中间路由，最终来到目标服务器；
- 服务器协议栈根据 IP 包头中的协议类型字段，取出数据中的 UDP 包，并提交给传输层进一步处理；
- 传输层根据 UDP 报文端口号，找到相关的套接字，并通过套接字将数据提交给对应的时间服务器进程；
顺便提一下， 套接字 是操作系统提供的网络编程接口。
当进程需要进行网络通信时，需要先申请套接字，并进行初始化。初始化时需要设置网络通信的上下文信息，包括通信双方的地址端口对、缓冲区大小等等。
当进程需要发送数据时，将数据提交到套接字。操作系统根据套接字上下文信息，完成报文封装并发送到网络上去。当系统收到网络报文后，根据报文信息找到对应的套接字，数据则由套接字提交给所属的进程。
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