用户数据报协议，即UDP，是一个面向数据报的简单运输层协议：进程的每次输出操作只产生一个UDP数据报，从而发送

一个IP数据报。

进程通过创建一个Internet域内的SOCK_DGRAM类型的插口，来访问UDP。该类型插口默认地称为无连接的。每次进程发送

数据时，必须指定目的IP地址和端口号。每次从插口上接收数据报时，进程可以从数据报中收到源IP地址和端口号。

UDP插口也可以被连接到一个特殊的IP地址和端口，这样，所有写到该插口的数据报都被发往该目的地，而且只有来自该IP

地址和端口号的数据才被传给该进程。

1.UDP的protosw结构

下图显示了UDP的协议交换入口

2.UDP的首部

UDP首部定义成一个udphdr结构，下图是UDP首部的数据结构和图。

在代码中，通常把udp首部作为一个紧跟着UDP首部的IP首部来引用。这就是udp_input如何处理收到的ip数据报，以及

udp_output如何构造外出的ip数据报，这种联合的ip/udp首部是一个udpiphdr结构，如下图所示：

20个字节的ip首部定义成一个ipovly结构，如下图所示。不幸的是，这个结构并不是一个真正的ip首部，大小虽然相同，但是

字段不同。

3.udp_init函数

domaininit函数在系统初始化时调用udp的初始化函数（udp_init），这个函数所做的唯一的工作是把头部PCB的向前和向

后指针指向它自己。这是一个双向链表。

udb PCB的其他部分都被初始化为0，尽管在这个头部PCB中唯一使用的字段是inp_lport，它是要分配的下一个UDP临时

端口号。

4.udp_output函数

当应用程序调用一下五个写函数中的任意一个时，发生UDP输出。这五个函数是：send，sendto或sendmsg、write或

writev。如果插口已经连接上，则可任意调用调用这五个函数，尽管用sendto或sendmsg不能指定目的地址。如果插口

还没有连接上，则只能调用sendto和sendmsg，并且必须指定一个目的地址。下图总结了这五个函数，它们在终止时，

都调用udp_output，该函数再调用ip_output。

五个函数终止调用sosend，并把一个指向msghdr结构的指针作为参数传给该函数。要输出的数据被分装在一个mbuf链

上，sosend把一个可选的目标地址和可选的控制信息放在mbuf中，并发布PRU_SEND请求。

udp_output函数的处理流程如下：

1.丢掉可选控制信息。udp输出不适用任何控制信息。

2.临时连接一个未连接上的接口。如果调用方为UDP数据报指定了目的地址，则插口是由in_pcbconnect临时连接到该地址

的，并在该函数的最后被断连。

3.在前面加上ip/udp首部。M_PREPEND在数据的前面为IP和UDP首部分配空间。

4.1.UDP检验和计算和伪首部

在讨论udp_output的后一部分之前，我们描述一下udp如何填充ip/udp首部的某些字段，如何计算udp检验和，如何传递

ip/udp首部及数据给ip输出的，这些工作很巧妙地使用了ipovly结构。

下图显示了udp_output在由m指向的mbuf链的第一个存储器上构造的28字节ip/udp首部。没有阴影的字段是udp_output

填充的，有阴影的字段是由ip_output填充的。

在计算UDP检验和使用以下三个事实：1.在伪首部中（如下图）的第三个32bit字看起来与ip首部中的第三个32bit字类似：

2个8bit值和一个16bit值。2.伪首部中的三个32bit值的顺序是无关的。事实上，internet检验和的计算不依赖于所使用的

16bit值的顺序。3.在检验和计算中另外再加上一个全0的32bit字没有任何影响。

udp_output利用这三个事实，填充udpiphdr结构的字段，如下图所示。

在20字节的ip首部中，最后三个32bit字被用作检验和计算的为首部，ip首部的前两个32bit字也用作检验和计算中，但他们

被初始化为0，不影响最后的检验和。

下图总结了我们描述的操作：

1.上图中最上面的图是为首部的协议定义。

2.中间的图是源代码中使用的udpiphdr结构，被用于计算udp检验和。

3.下面的图是出现在线路上的ip/udp首部。上面有箭头的7个字段是udp_output在检验和之前填充的，上面有星号的3个字段

是udp_output在检验和计算之后填充的，其他6个有阴影的字段是ip_output填充的。

下面是udp_output函数的后半部分。

1.为检验和计算准备伪首部。

2.计算检验和

3.填充UDP长度、TTL和TOS。

4.发送数据报。调用ip_output发送数据报。

5.断连临时连接的插口。

5.udp_input函数

5.1.对收到的udp数据报的一般确认

1.丢弃IP选项。

2.验证UDP长度。与UDP数据报相关的两个长度是：IP首部的长度字段（ip_len）和UDP首部的长度字段(uh_ulen)。

比较这两个长度，可能有三种可能性：

1）ip_len等于uh_ulen。这是通常情况。

2）ip_len大于uh_ulen。ip首部太大，如下图所示。代码相信两个长度中小的那个，并从数据报的最后移走多余的数据字节，

从mbuf链的最后截断数据。

3）ip_len小于uh_ulen。当udp首部的长度给定时，ip数据报比可能的小，如下图所示。这说明数据报有错误，必须丢弃，

没有其他的选择。

3.保存ip首部的备份，验证udp的检验和。

5.2.分用单播数据报

假定数据报的目的地址是一个单播地址。

1.检查“向后一个”高速缓存。udp维护一个指针，该指针指向最后在其上接收数据报的internet pcb，在查看pcb之前，可能必须

搜索udp表上的pcb，把最近一次接收pcb的外部和本地地址以及端口号和收到的数据报进行比较。这称为“向后一个”高速缓存。

它是根据这样一个假设，即收到的数据报极有可能要发往上一个数据报发往的同一端口。

2.搜索所有的UDP的PCB。

3.生成ICMP端口不可达差错。如果没有找到匹配的PCB，UDP通常产生一个ICMP端口不可达差错。

4.返回源站IP地址和源站端口。

5.处理IP_RECVDSTADDR插口选项。该选项把收到的UDP数据报中的目的IP地址作为控制信息返回。

6.把数据加到插口的接收队列中。

5.3.分用多播和广播数据报

这些数据报被提交给匹配的所有插口，而不仅仅是一个插口。

6.udp_saveopt函数

如果进程指定了IP_RECVDSTADDR插口选项，则udp_input调用udp_saveopt，从收到的数据报中接收目的IP地址。

7.udp_ctlinput函数

当icmp_input收到一个ICMP差错（目的主机不可达、参数问题、重定向、源站抑制和超时）时，调用相应协议的pr_ctlinput

函数。对于UDP，调用udp_cltinput。我们来看下对收到的ICMP所做的处理：

1.icmp_input把icmp类型和码转换成PRC_xxxx差错码。

2.把PRC_xxxx差错码传给协议的控制输入函数。

3.internet pcb协议（TCP和UDP）把PRC_xxx差错码映射到一个unix的errno值，这个值被返回给进程。

8.udp_usrreq函数

许多操作都要调用协议的用户请求函数，在某个UDP插口上调用五个写函数中的任意一个，都以请求PRU_SEND调用UDP

的用户请求函数结束。下面讨论该函数中各个请求。

1.PRU_ATTACH请求，来自socket系统调用，分配一个新的pcb，把它加到udp pcb表的前面，把插口结构和pcb连接在一起。

2.close系统调用发布PRU_DETACH请求。从udp表中移走pcb，并释放该pcb。

3.PRU_BIND请求完成绑定操作。

4.如果有PRU_LISTEN请求，则是无效的，只有面向连接的协议才使用它。

5.在一个udp应用程序中，客户或服务器，可以调用connect，它发送CONNECT请求修改插口发送或接收的外部ip地址和端口号。

6.socketpair系统调用发布PRU_CONNECT2请求。

8.对于UDP插口，有两种情况会产生PRU_DISCONNECT请求：

a.当关闭了一个连接上的UDP插口时，在PRU_DETACH之前调用PRU_DISCONNECT。

10.调用无法写函数，发布PRU_SEND请求，最终调用udp_output发送该数据报。

12.PRU_SOCKADDR和PRU_PEERADDR请求分配来自系统调用getsockname和getpeername。

9.udp_sysctl函数

udp的sysctl函数只支持一个选项，udp检验和标志位。系统管理员可以禁止用sysctl程序使能或静止udp检验和。

《TCP/IP详解卷2：实现》笔记--UDP：用户数据报协议