第 07 章：UDP

这是《计算机网络 零基础实战指南》的独立章节版。本章从概念、实操和生产排查三个视角展开，代码块保留了原书可直接运行的版本。 UDP 是无连接、不可靠、面向数据报的传输协议。它没有连接建立、重传、排序、流量控制和拥塞控制，因此代价小、延迟低，但也把可靠性问题交给了应用层。DNS、NTP、视频通话、游戏和 QUIC 都运行在 UDP 上。

7.1 UDP 头部

UDP 头部只有 8 字节：

| Source Port | Destination Port |
| Length      | Checksum         |

与 TCP 相比：

UDP 保留消息边界。发送两次数据报，接收方通常按两次读取；TCP 则是连续字节流，需要应用协议划分消息。

7.2 UDP 适用场景

适合：

1. 实时音视频，宁可丢帧也不愿等待重传；
2. 游戏同步，低延迟优先；
3. DNS 查询，一问一答；
4. 广播或多播；
5. 内网服务发现；
6. 作为 QUIC 的底层承载；
7. 高频遥测，允许少量丢失。

不适合：

1. 转账、下单等强一致业务；
2. 大文件可靠传输；
3. 需要严格顺序且不可丢的日志；
4. 未经治理的公网大规模服务；
5. 没有应用层确认与限流的请求响应。

7.3 使用 UDP 的代价

UDP 简化了协议，但复杂度不会消失，而是转移到应用层：

QUIC 正是这种思路：基于 UDP，在用户态实现可靠流、多路复用、加密和现代拥塞控制。

7.4 Linux UDP 缓冲区

UDP 没有发送缓冲的重传语义，但内核仍需要队列。

查看：

sysctl net.core.rmem_max
sysctl net.core.wmem_max
sysctl net.core.rmem_default
sysctl net.core.wmem_default

查看统计：

ss -lun
netstat -su

关注：

1. RcvbufErrors：接收缓冲不足；
2. SndbufErrors：发送缓冲不足；
3. InErrors：校验和等错误；
4. InDatagrams / OutDatagrams；
5. receive errors 增长。

如果 UDP 接收方处理慢，包会被直接丢弃，不会像 TCP 一样通过窗口通知发送方减速。

7.5 UDP 编程示例

服务端：

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(("0.0.0.0", 9000))

while True:
    data, addr = server.recvfrom(4096)
    server.sendto(b"ack:" + data, addr)

客户端：

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
client.settimeout(2)

for i in range(3):
    client.sendto(f"ping-{i}".encode(), ("127.0.0.1", 9000))
    try:
        data, _ = client.recvfrom(4096)
        print(data.decode())
    except socket.timeout:
        print("timeout")

如果没有超时，一次丢包就可能让客户端永久等待。

7.6 NAT 与 UDP

UDP 无连接，NAT 映射通常依赖超时维护：

内网主机发送 UDP
  -> NAT 创建五元组映射
     -> 空闲超时后删除
        -> 对端再发送无法进入

应用层常见方案：

1. 心跳保活；
2. STUN 获取公网映射；
3. TURN 中继；
4. ICE 收集候选地址；
5. 连接迁移时使用会话标识。

QUIC 使用 Connection ID 帮助在地址变化后恢复连接，但路径和 NAT 仍需正确处理。

7.7 UDP 排障

# 查看监听
ss -lunp

# 测试连通性
nc -u -v 10.20.1.10 9000

# 抓包
tcpdump -i eth0 udp port 9000 -nn

# 统计
netstat -su

排障要点：

1. 双端是否都使用 UDP；
2. 是否单向可达；
3. 安全组是否放行；
4. 接收队列是否溢出；
5. 应用是否阻塞；
6. 数据报是否超过路径 MTU；
7. NAT 映射是否超时；
8. 是否存在丢包和乱序。

本章小结

UDP 提供低开销、无连接的数据报传输，保留消息边界，但不提供可靠、有序、流控和拥塞控制。实时音视频、DNS、游戏和 QUIC 适合 UDP，而关键业务必须由应用层补足可靠性。UDP 排障要关注接收缓冲丢弃、单向可达、NAT 超时和路径 MTU。

思考题

1. TCP 和 UDP 对消息边界的处理有什么不同？
2. 为什么实时视频可以接受少量丢包？
3. UDP 接收方处理慢会发生什么？
4. QUIC 为什么基于 UDP 而不是直接修改 TCP？
5. 设计一个可靠的 UDP 协议需要哪些字段和机制？