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如何解决UDP在传输过程中MTU大小限制问题

知识星球行者 175

前言:

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UDP 是(User Datagram Protocol)的简称, 中文名是用户数据报协议,是OSI(Open System Interconnection,开放式系统互联) 参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,IETF RFC 768 [1] 是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。

UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包,在OSI模型中,两者都位于传输层,处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点,也就是说,当报文发送之后,是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年,虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖,但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

在UDP协议层次模型中,UDP位于IP层之上。应用程序访问UDP层然后使用IP层传送数据包。IP数据包的数据部分即为UDP数据包。IP层的报头指明了源主机和目的主机地址,而UDP层的报头指明了主机上的源端口和目的端口。UDP传输的段(segment)由8个字节的报头和有效载荷字段构成。

UDP报头由4个域组成,其中每个域各占用2个字节,具体包括源端口号、目标端口号、数据包长度、校验值。

UDP协议是一种无连接的协议,不提供数据分段和重组的机制,也不提供数据的可靠传输保证,但是它有传输速度快的优点。

UDP协议本身不限制数据包的大小,但是底层的网络传输协议(比如以太网)会限制传输数据包的大小。一般情况下,UDP协议的最大数据包大小是根据底层网络传输协议的MTU(最大传输单元)来决定的。

一般以太网的MTU大小为1500字节,其中包括了IP和UDP的头部信息。因此,当UDP数据包大小超过1472字节时,就会发生IP分片,这可能导致网络拥塞和性能下降。

要解决UDP传输长度为1472的问题,可以考虑以下几个方面:

1.优化传输的数据包大小,尽量让UDP数据包大小小于1472字节,以避免IP分片。可以通过压缩数据、使用更高效的编码方式、分包等方式来实现。压缩数据包:使用数据压缩算法对数据包进行压缩,缩小数据包的大小,从而使UDP包大小小于1472字节。但这种方法需要在应用层进行实现,并且需要消耗一定的计算资源。

2.UDP的数据包大小受限于底层网络的MTU(最大传输单元),MTU的大小通常为1500字节,UDP包头8字节,因此UDP的数据包最大为1472字节。如果要传输的数据包超过了这个大小,就会发生IP分片,会影响数据传输效率和可靠性。调整网络传输协议的MTU大小,可以在网络设备(如路由器、交换机等)上设置更大的MTU值来支持更大的UDP数据包传输。

3.如果无法避免UDP数据包大小超过1472字节,可以考虑使用TCP协议,因为TCP协议可以自动进行分段和重组,避免数据包丢失和网络拥塞的问题。

在某些场景下,我们可以通过压缩UDP数据包来提高传输速度。

下面是使用Java代码实现UDP数据包压缩的步骤:

1.引入相关的类库

在Java中,我们可以使用 java.util.zip 包提供的类库来实现数据压缩。因此,我们需要在代码中引入相关的类库,如下所示:

import java.util.zip.Deflater;

import java.util.zip.Inflater;

2.压缩数据包

在发送UDP数据包之前,我们需要先对数据进行压缩。这里使用 Deflater 类来实现数据压缩。我们需要创建一个 Deflater 实例,并调用其 deflate() 方法对数据进行压缩,如下所示:

// 压缩数据包

byte[] data = "Hello, world!".getBytes();

Deflater compressor = new Deflater();

compressor.setInput(data);

compressor.finish();

byte[] compressedData = new byte[data.length];

int compressedDataLength = compressor.deflate(compressedData);

在这个例子中,我们将要发送的数据是 "Hello, world!"。首先,我们创建一个 Deflater 实例,并将数据输入到 compressor 中。然后,我们调用 compressor 实例的 finish() 方法来结束压缩过程。最后,我们创建一个 byte 数组 compressedData 来存储压缩后的数据,并调用 compressor.deflate() 方法将数据进行压缩。

3.解压数据包

在接收到UDP数据包后,我们需要将其解压。这里使用 Inflater 类来实现数据解压。我们需要创建一个 Inflater 实例,并调用其 inflate() 方法对数据进行解压,如下所示:

// 解压数据包

Inflater decompressor = new Inflater();

decompressor.setInput(compressedData, 0, compressedDataLength);

byte[] decompressedData = new byte[data.length];

int decompressedDataLength = decompressor.inflate(decompressedData);

decompressor.end();

在这个例子中,我们首先创建一个 Inflater 实例,并将压缩后的数据输入到 decompressor 中。然后,我们创建一个 byte 数组 decompressedData 来存储解压后的数据,并调用 decompressor.inflate() 方法将数据进行解压。最后,我们调用 decompressor.end() 方法结束解压过程。

以下是增加注释后的完整Java代码示例,用于压缩和解压UDP数据包:

import java.io.ByteArrayInputStream;

import java.io.ByteArrayOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.util.zip.Deflater;

import java.util.zip.Inflater;

public class UDPCompressor {

/**

* 压缩 UDP 数据包

*

* @param data 要压缩的 UDP 数据包

* @return 压缩后的 UDP 数据包

* @throws IOException

*/

public static byte[] compress(byte[] data) throws IOException {

ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();

Deflater compressor = new Deflater();

compressor.setInput(data);

compressor.finish();

byte[] buffer = new byte[1024];

while (!compressor.finished()) {

int count = compressor.deflate(buffer);

outputStream.write(buffer, 0, count);

}

compressor.end();

outputStream.close();

return outputStream.toByteArray();

}

/**

* 解压缩 UDP 数据包

*

* @param compressedData 压缩后的 UDP 数据包

* @return 解压后的 UDP 数据包

* @throws IOException

*/

public static byte[] decompress(byte[] compressedData) throws IOException {

Inflater decompressor = new Inflater();

decompressor.setInput(compressedData);

ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();

byte[] buffer = new byte[1024];

while (!decompressor.finished()) {

int count;

try {

count = decompressor.inflate(buffer);

} catch (Exception e) {

break;

}

if (count == 0) {

break;

}

outputStream.write(buffer, 0, count);

}

outputStream.close();

byte[] decompressedData = outputStream.toByteArray();

decompressor.end();

return decompressedData;

}

public static void main(String[] args) throws IOException {

String message = "Hello World!";

byte[] originalData = message.getBytes();

System.out.println("Original Data: " + new String(originalData));

byte[] compressedData = compress(originalData);

System.out.println("Compressed Data: " + new String(compressedData));

byte[] decompressedData = decompress(compressedData);

System.out.println("Decompressed Data: " + new String(decompressedData));

}

}

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