UDP、廣播、多播與 IGMP 協定全面解析：非連線傳輸與群組通訊

UDP 用戶資料報協定

簡潔標頭結構 (8 bytes)

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|     來源埠號      |     目的埠號      |
+--------+--------+--------+--------+
|      UDP 長度      |     UDP 檢驗和     |
+--------+--------+--------+--------+

關鍵特性

• 無連線、不可靠：不保證送達、不排序、無流量控制
• 長度欄位：含標頭 + 資料，最小 8 bytes (無資料)
• 偽標頭檢驗和：12 bytes (來源/目的 IP + 保留 + 協定 17 + UDP 長度) + UDP 標頭 + 資料
• 檢驗和為 0：表示發送端未計算 (選用)
• 計算結果為 0：存入 0xFFFF (全 1)

IP 分片與 UDP

• IP 層負責分片/重組，UDP 不感知
• DF (Don't Fragment) bit 若置 1 且需分片 → ICMP "Fragmentation Needed"
• 路徑 MTU 發現：設 DF bit 發送，根據 ICMP 回應調整封包大小

UDP 伺服器設計考量

IP 廣播機制

四種廣播類型

IP 多播與 IGMP

D 類位址結構

 1110 | 28-bit 多播群組 ID
範圍：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

知名多播位址

多播位址 → 乙太網 MAC 映射

• IANA OUI: 00-00-5E
• 多播 MAC 範圍：01-00-5E-00-00-00 ~ 01-00-5E-7F-FF-FF
• 映射規則：IP 多播位址低 23 bits → MAC 低 23 bits
• 非唯一性：32 個 IP 多播位址映射到同一 MAC (高 5 bits 捨棄)
• 驅動程式/ IP 層需過濾不需要的多播幀

IGMP 網際網路群組管理協定

IGMP 訊息格式 (IP 協定號 2)

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  版本(4)  |   類型(4)   |     未用      |      檢驗和       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    群組位址 (D 類 IP)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

訊息類型

• 類型 1 (0x11)：會員查詢 (Membership Query) - 路由器發送
• 類型 2 (0x12)：會員報告 (Membership Report) - 主機回應
• 類型 3 (0x16)：離開群組 (Leave Group) - IGMPv2 新增

運作機制

1. 加入群組：首個進程加入 → 發送 Report，後續進程不重複發送
2. 離開群組：不主動發送，下次查詢時不再回應 (IGMPv1/v2)
3. 定期查詢：路由器定期 (預設 125 秒) 發送 Query (群組位址=0)
4. 回應抑制：收到他人同群組 Report → 抑制自己的 Report (隨機延遲)
5. TTL=1：查詢/報告限制在本地子網，路由器不轉發

IGMP 版本演進

特殊群組：224.0.0.1 (所有主機群組)

• 所有多播能力介面自動加入
• 無需發送 IGMP Report
• 路由器不轉發 (無論 TTL)