以太网通信之UDP

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前言

一、OSI

二、IP协议

IPv4 协议结构

IPv6 协议结构

三、UDP协议

UDP 数据报结构

UDP 数据部分

特点

四、理解UDP和ARP的关系及其在网络通信中的作用

1. 协议层次

2. 数据流动过程

五、参考的原文

前言

在本章中，我们将继续深入阅读正点原子的《达芬奇 Pro FPGA 开发指南》，探讨以太网通信的相关知识。这将为我后续讲解基于ZYNQ-UltraScale+的UDP使用奠定坚实的基础。

一、OSI

OSI（开放系统互联模型，Open Systems Interconnection Model）是一个网络通信模型，由国际标准化组织（ISO）于1984年提出。该模型用于促进不同计算机系统之间的通信，定义了网络通信的各个层次和标准。OSI模型分为七个层次，每个层次都有特定的功能和任务：

物理层（Physical Layer）：负责传输原始比特流，包括电气、机械、光学和功能规范。它定义了硬件设备的电气特性和信号传输方式。
数据链路层（Data Link Layer）：确保数据的可靠传输，处理错误检测和纠正，定义数据帧的格式，并控制流量。常见协议包括以太网和PPP（点对点协议）。
网络层（Network Layer）：负责数据包的传输和路由选择，确保数据在不同网络之间有效传送。主要协议有IP（互联网协议）。
传输层（Transport Layer）：提供端到端的通信服务，负责数据的分段、重组和流量控制，确保数据完整性和可靠性。常见协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
会话层（Session Layer）：管理用户会话和连接，提供建立、管理和终止会话的机制，确保在两个应用程序之间进行有效的通信。
表示层（Presentation Layer）：处理数据格式的转换和加密解密，确保不同系统之间的数据能被理解。它负责数据的表示和语法。
应用层（Application Layer）：为用户提供网络服务，直接与用户的应用程序交互。常见的协议包括HTTP、FTP、SMTP等。

OSI模型通过将网络通信划分为七个层次，使得网络协议的开发和实施更加系统化和模块化，有助于不同厂商的设备和系统之间的互操作性。虽然在实际应用中，许多协议并没有严格遵循OSI模型，但它仍然是网络通信的一个重要理论框架。

二、IP协议

IP协议有两个主要版本：IPv4 和 IPv6。以下是它们的结构概述。

IPv4 协议结构

IPv4 数据包的结构由一个头部和一个数据部分组成。头部的长度通常为20字节（不包括选项），最大可达60字节。其基本结构如下：

IPv6 协议结构

IPv6 是为了克服 IPv4 的限制而设计的，具有更大的地址空间和一些新的特性。IPv6 数据包的结构如下：

三、UDP协议

UDP（用户数据报协议，User Datagram Protocol）是一个无连接的传输层协议，提供简单的、面向数据报的服务。UDP适用于需要快速传输和较少开销的应用，比如视频流、游戏和语音通信。以下是UDP协议的结构：

UDP 数据报结构

UDP数据报由一个头部和数据部分组成。UDP头部的固定长度为8字节。其结构如下：

UDP 数据部分

UDP数据部分可以是可变长度的，包含了应用层要传输的实际数据。UDP并不对数据进行分段，因此如果数据超过了最大传输单元（MTU），需要在应用层进行处理。

特点

无连接：UDP不建立连接，因此开销较小，适合快速传输。
面向数据报：每个UDP数据报是独立的，不保证顺序、完整性和可靠性。
简单性：UDP的头部非常简单，只有8个字节的固定长度，这使得UDP的处理速度非常快。

UDP的设计理念是以速度和效率为优先，适合对延迟敏感的应用。虽然UDP没有TCP提供的可靠性机制，但在某些场景中，其快速传输特性更为重要。

四、理解UDP和ARP的关系及其在网络通信中的作用

UDP并不封装在ARP中，ARP和UDP是两个不同层次的协议，分别位于网络协议栈的不同层。以下是对它们之间关系的详细解释：

1. 协议层次

ARP（地址解析协议）：
- 位于链路层（数据链路层），用于将IP地址转换为MAC地址。ARP负责在同一局域网内找到设备的物理地址（MAC地址），以便数据包能够正确发送到目标设备。
UDP（用户数据报协议）：
- 位于传输层，主要负责在网络上进行数据传输。UDP将应用层的数据封装为数据报，并通过网络进行发送。