[网络协议篇] UDP协议

1. 简介

User Datagram Protocol，用户数据报协议，基于IP协议提供面向无连接的网络通信服务。特点：简单，不可靠，面向数据报。 UDP协议位于ISO网络模型的传输层。

2. 特点

特点解释：

• 无连接： 两台主机在使用UDP进行数据传输时，不需要建立连接，只需要知道对方端的IP和端口号即可把数据发送过去。
• 不可靠：UDP协议没有确认重传机制，如果因为网络故障导致报文无法发到对方，或者对方接收到了报文，但是传输过程中乱序了，对方检验失败后把乱序的包丢了，UDP协议层也不给应用层任何错误反馈信息。
• 面向数据报：以数据报文为单位一个个发出去，然后一个个接收的，导致上面的应用层无法灵活控制数据的读写次数和数量。

3. UDP数据报结构

• 源端口号: 发送方的端口，用于唯一确认发送方主机的一个进程。 大小范围1-65535。
• 目的端口： 接收方的端口，用于唯一确认接收方主机的一个进程。大小范围1-65535。
• UDP长度：一个UDP报文所能传输的最大长度是64K，包含UDP首部。
• UDP校验和： 为了确保数据包在传送过程中，数据检测数据是否被篡改和丢失的一种手段。通过二进制补码求和进行校验，校验和的内容包括：
  • 伪首部(IP数据包的一部分)：源IP地址(32位),目的IP地址(32位),保留字段(8位， 0), 协议号(8位, 指定为17，代表udp)，UDP长度(16) UDP数据报的总长度，包括头部和数据
  • UDP首部：源端口号、目的端口号、长度字段、校验和字段(初始值为0)
  • UDP数据: 实际传输的应用层数据。

端口和应用程序的关系： 1. 主机运行的一个进程可以绑定多个端口号。2.一个主机的某一个端口只能被一个进程所绑定。 可以推导出一个主机上的端口可以唯一确认主机上的一个进程，

4. 基于UDP的应用层协议

• DNS协议： 域名解析协议， 域名 => IP.
• DHCP协议：动态主机配置协议， 为设备动态分配IP地址、网关、DNS服务器等网络参数。
• NTP协议： 用于同步网络中的设备时钟。
• SNMP协议： 用于网络设置的监控和管理，如路由器、交换机等。
• RIP协议： 路由信息协议，是一种距离向量路由协议，用于在网络设备间交换路由信息。

上述协议的几个明显的特点：

• 传输数据一般都比较小。
• 对速度要求较高，延迟时间低
• 不需要或者无法进行连接.(例如dhcp初次启动时，设备根本就没有ip地址)
• 由于网络问题丢失数据也不会非常严重，重新发起请求即可。

如果实际开发需求中，如果你的需求任务满足上述几种要求时，可以考虑使用udp去实现。

5. UDP安全性问题

• 易受攻击性问题(微造身份)：udp本身是无连接的，数据包在发送之前不需要建立连接，攻击者可以轻易伪造源地址发送UDP数据，进行IP欺骗攻击。
• 反射攻击和放大攻击:
  • udp反射攻击： 攻击者伪造受害者的 IP 地址，向网络上的其他服务器发送大量UDP 请求。由于很多服务器会自动回复请求，这些回复数据将被发送到受害者的地址，从而导致大量流量集中到受害者一侧，形成 DDoS 攻击。
  • udp放大攻击：基于udp的应用层协议(DNS,NTP)返回的响应包含较大的数据包。攻击者利用伪造的 IP 地址发送小请求，目标服务器返回的大量数据包会直接被发送给受害者，放大了攻击效果。
• udp未加密传输： 数据以明文形式传输，容易被窃听。中间人可以劫持udp流量，监听内容，进行功能流量重放等攻击手段。
• 利用防火墙漏洞传输有害信息： UDP 是无连接的协议，某些情况下可以绕过防火墙的状态检测。攻击者可以通过精心设计的数据包，穿透防火墙，访问内部的网络资源。

6. 使用udp传输数据的系统就一定不可靠吗？

先说结论： 虽然udp本身不提供可靠性保证，但在实际应用中，通过应用层协议的设计，可以使得基于UDP的通信具备可靠性。

常见例子：

• DNS： 通过使用超时重传机制来保证查询的可靠性。
• TFTP： 通过应用层的确认和重传机制来保证文件传输的可靠性。
• RTP(用于传输音视频的协议)：　通过结合RTCP提供的一些保障机制，例如　序列号和时间戳、丢包检测、RTCP反馈。来实现可靠传输。

7. 基于UDP的主机探活 python实现

实现原理：当向目标发送一个UDP数据包之后，目标是不会发回任何UDP数据包的。不过如果目标主机处于活跃状态，但是目标端口是关闭状态时，会返回一个ICMP数据包，这个包的含义是unreachable.如果目标主机处于不活跃状态，这时接收不到任务响应数据。

挑选目标主机的目标端口也是一个比较重要的步骤。一般思路是设置不太可能被开放端口，例如65535这种不常用的端口。我下面这个脚本通过随机数去生成一个目标端口，不一定适用所有情况，可以根据要扫描网段或机器的环境设置目标端口。

from scapy.layers.inet import *
from optparse import OptionParser
import nmap
import sys
"""
发送udp数据包
"""


def main():
    usage = "Usage: %prog -i <ip adress>"
    parse = OptionParser(usage=usage)
    # 获取网段地址
    parse.add_option("-i", "--ip", type="string", dest="IP", help="specify the IP address")
    options, args = parse.parse_args()
    # check
    if options.IP is None:
        parse.print_help()
        sys.exit(1)
    if "-" in options.IP:
        start = int(options.IP.split("-")[0].split(".")[3])
        end = int(options.IP.split("-")[1])
        ipPrefix = ".".join(options.IP.split(".")[:3])
        for i in range(start, end + 1):
            Scan(ipPrefix + "." + str(i))
    else:
        Scan(options.IP)


def sent_udp_message(address):
    ip = IP()
    udp = UDP()
    r = (ip / udp)
    r[IP].dst = address
    r[UDP].dport = random.randint(1024, 65535)
    a = sr1(r)
    a.display()

"""
通过UDP探测包探测主机存活
"""
def Scan(ip):
    dport = random.randint(1, 65535)
    try:
        packet = IP(dst=ip) / UDP(dport=dport)
        response = sr1(packet, timeout=10, verbose=0)
        if response:
            if int(response[IP].proto) == 1:
                print(ip + " is up")
            else:
                print(ip + " is down")
        else:
            print(ip + " is down")
    except Exception as e:
        print(e)

"""
 借助nmap实现udp探测
"""
def NmapScan(targetIp):
    nm = nmap.PortScanner()
    try:
        result = nm.scan(hosts=targetIp, arguments="-PU")
        state = result["scan"][targetIp]["status"]["state"]
        print("[{}] is [{}]".format(targetIp, state))
    except Exception as e:
        print(e)


if __name__ == "__main__":
    main()