제 11 장

1성균관 대학교

SungKyunKwan Univ.

정보통신연구실

제 제 11 11 장장

사용자 데이터그램 프로토콜


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ContentContent

Introduction UDP Header UDP Checksum IP Fragmentation ICMP 도달불가 에러 [ 단편화 요구 ] Traceroute 를 이용한 Path MTU 결정 UDP 를 이용한 Path MTU 발견 UDP 와 ARP 간의 상호 작용 UDP 데이터그램 크기의 최대값 ICMP 발신지 억제 에러 UDP 서버 설계 Summary


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IntroductionIntroduction

Simple, datagram-oriented, transport layer protocol

프로세스에 의한 output 으로 하나의 UDP datagram 을

생성

stream-oriented protocol 인 TCP 와 다름

No reliability

목적지에 도착을 보장하지 못함


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UDP HeaderUDP Header

Port number

sending process 와 receiving process 구별

UDP 와 TCP port 는 IP 로부터 구별 됨 (figure 1.8)

UDP length: UDP header+data 의 길이

최소 크기 8 바이트 (data 가 0 일 경우 )

IP datagram total length - IP header length


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UDP HeaderUDP Header

16-bit source port number 16-bit destination port number

16-bit UDP length 16-bit UDP checksum

Data(if any)

Figure 11.2 UDP header


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UDP ChecksumUDP Checksum

UDP header 와 UDP data 를 체크 IP checksum 은 IP header 만 체크

IP header checksum 과 유사하지만 차이점이 있음 UDP datagram 의 길이는 홀수일 수 있지만 , checksum

algorithm 은 16-bit word

• 0 값의 pad byte 를 붙임으로서 해결

12-byte pseudo-header 포함

• 데이터가 보내질 올바른 목적지를 2 번 체크


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UDP checksum 계산 필드

32-bit source IP address

32-bit source IP address

16-bit UDP lengthzero 8-bit protocol

16-bit source port number 16-bit dest port number

16-bit UDP length 16-bit UDP checksum

data

Pad byte(0)


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TCP 와 UDP 는 헤더에 checksum 을 가짐

UDP 는 optional, TCP 는 mandatory

UDP 는 optional 이지만 , 항상 checksum 을 사용해야 함

tcpdump Output

1 0.0 sun.1900 > gemini.echo: udp 9 (UDP cksum=6e90)

2 0.303755(0.3038)gemini.echo > sun.1900: udp 9 (UDP cksum =0)

3 17.392480(17.0887) sun.1904 > aix.echo: udp 9 (UDP cksum=6e3b)

4 17.614371(0.2219) axi.echo > sun.1904:udp 9 (UDP cksum=6e3b)


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IP FragmentationIP Fragmentation

IP fragmentation 을 하는 이유 데이터 그램의 크기가 물리적인 네트워크 계층이 전송할 수

있는 frame 의 최대 크기보다 클때 Fragmentation 과정

IP 는 상위계층에서 전달받은 IP datagram 을 어느 local

interface 를 통해 전달할 것인지를 결정 (MTU 를 질의 )

MTU 와 IP datagram 을 비교

• if ( IP datagram > MTU ) then Fragmentation

Fragmentation 발생 위치 송신 host 또는 중간 router


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Reassemble 최종 목적지에 도달 후 , reassemble 됨 몇몇 다른 네트워크 프로토콜은 최종 목적지가 아닌 다음

hop 에서 reassemble 하기도 함 목적지의 IP Layer 가 수행

Fragmentation & Reassemble 목적 처리 속도를 저하시키지 않는 범위에서 transport layer 에서

transparency 을 제공하기 위함 Fragmentation 의 재 fragmentation 이 가능

IP header 에 reassemble 을 위한 정보를 유지


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IP header field Identification field : 송신자가 전송하는 각 IP 데이터그램에

대하여 유일한 값을 포함 , 번호는 해당 데이터그램의 각 단편에 복사

Flags field

• more fragment bit : fragment 가 더 있다는 것을 의미하기 위함 ,

마지막 fragment 를 제외하고 각 fragment 는 이 비트를 set

• don’t fragment bit : IP 는 datagram 을 단편화하지 못함 , 그러나 ICMP error 를 본래 전송자에게 보냄 (ICMP error : fragmentation 이 필요한데 don’t

fragment bit 가 set 되어 있음을 의미 )

Fragment offset field : 해당 fragment 의 offset 을 나타냄


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Routing of Fragments 각각의 fragment 는 자신의 IP header 를 갖는 독립된 패킷 다른 패킷과 독립적으로 전송 , 최종 목적지에 다른 순서로

도착할 수 있지만 IP header 정보로 재조립 Fragmentation 의 단점

fragment 를 하나라도 분실하면 datagram 의 모든 fragment 를 재전송

fragmentation 이 중간 router 에서 이루어진 경우 발신지는 datagram 의 fragmentation 정보를 알 수 없음


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Example sock 프로그램을 이용해서 fragmentation 이 일어날 때까지

datagram 의 크기를 증가시킨다 . Ethernet 의 MTU = 1500 bytes user data = 1500 - 20(IP header) - 8(UDP header) = 1472 bytes

bsdi % sock -u -I -n1 -w1471 svr4 discard





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tcpdump output 1 0.0 bsdi.1112 >svr4.discard: udp 1471

2 21.008303 (21.0083) bsdi.1114 >svr4.discard: udp 1472

3 50.449704 (29.4414) bsdi.1116 >svr4.discard: udp 1473 (frag 26304:1480@0+)

4 50.450040 ( 0.0003) bsdi>svr4: (frag 26304:1@1480)

5 75.328650 (24.8786) bsdi.1118>svr4.discard: udp 1474 (frag 26313:1480@0+)

6. 75.328982 ( 0.0003) bsdi>svr4: (frag 26313:2@1480)

line 1, 2 : not fragmented line 3, 4, 5, 6 : fragmented identification number : 26304, 26313 1480= 1472(user data)+8(UDP header) - excluding IP header ‘@’ 다음의 number : offset + : more fragment , if (not +) then last fragment


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생성된 fragment 의 크기는 마지막 fragment 를 제외하고 8

의 배수가 되어야 함 첫번째 fragment 를 제외한 나머지는 프로토콜과 source,

destination 의 port number 를 생략함 terminology

IP datagram : IP Layer 에서 종단간 전송의 단위 packet : IP Layer 와 Link layer 간에 전달되는 데이터의 단위

packet 은 하나의 IP datagram 이 되거나 fragment 가 될 수 있음


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IPheader

UDPheader

UDP data (1473 bytes)

20 byte 8 byte

UDP datagram

IPheader

UDPheader

1472 bytes20 byte 8 byte

IPheader

20 byte 1 byte

packet packet

Figure 11.8 Example of UDP Fragmentation


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ICMP Unreachable ErrorICMP Unreachable Error(Fragmentation Required)(Fragmentation Required)

router 가 fragmentation 이 필요한 datagram 을 받은 경우 ,

DF flag 가 set 되어 있을 때 발생 목적지까지의 경로에서 가장 작은 MTU 를 결정할 필요가

있는 프로그램은 이러한 error 를 이용 (path MTU discovery Mechanism)


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type(3) code(4) checksum

Unused (must be 0) MTU of next-hop network

IP header(including options) + first 8bytes of original IP datagram data

0 7 8 15 16 31

8 bytes

Figure 11.9 ICMP unreachable error options)+first 8bytes of original IP datagram data

Newer Format of ICMP Unreachble Error


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MTU=1500

bsdi

MTU=1500

sun netb solaris

MTU=1500 MTU=1500

SLIP

MTU=552 MTU=?

fragment

fragment

watch withtcpdump

fragmentation

pingICMP echo

request

Figure 11.10 Systems being used to determine MTU of SLIP link from netb to sun


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ICMP Unreachable ErrorICMP Unreachable Error(Fragmentation Required)(Fragmentation Required)

tcpdump output on bsdi

1 0.0 solaris > bsdi : icmp : echo request (DF)

2. 0.000000 (0.0000) bsdi>solaris : icmp : echo reply (DF)

3. 0.000000 (0.0000) sun>bsdi icmp : solaris unreachable -

need to frag, mtu = 0 (DF)

4 0.738400 (0.7384) solaris > bsdi : icmp : echo request (DF)

5. 0.748800 (0.0104) bsdi>solaris : icmp : echo reply (DF)

5. 0.748800 (0.0000) sun>bsdi icmp : solaris unreachable -

need to frag, mtu = 0 (DF) Solaris 2.2 는 대개 DF 를 set 한다 . 이는 path MTU discovery mechanism 의

한 부분이다 .


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MTU=1500

bsdi

MTU=1500

sun netb solaris

MTU=1500 MTU=1500

SLIP

MTU=552 MTU=?

ICMP echo

request

ICMP echo

requestICMP echo

request

ICMP echo

reply

ICMP unreachable

fragmentation requiredand DF set

Figure 11.12 Packets exchanged in example


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Determining the path MTU using TracerouteDetermining the path MTU using Traceroute

path MTU discovery 성질이 없다고 해도 , path MTU 를 결정하기 위해 traceroute version 을 수정할 수 있다 .

example scenario DF set packet 을 보냄 1 번 packet 의 크기 = sending interface 의 MTU ICMP “can’t fragment” error 를 받을 때 마다 packet 의 크기를

줄임 만약 ICMP error 를 보내는 router 가 sending interface 의

MTU 를 포함하는 새로운 version 을 보내면 , 이 값을 사용할 것이다 . 그렇지 않으면 , 다음 작은 MTU 를 시도

• RFC 1191 에서는 MTU 의 수를 제한 -> 본 프로그램은 유사한 테이블을 갖고 있어서 다음 작은 값으로 시도

sun -> slip (SLIP link MTU = 295)


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traceroute output (sun -> slip) sun % traceroute.pmtu slip

traceroute to slip (140.252.13.65), 30 hop max

outgoing MTU =1500

1 bsdi (140.252.13.35) 15 ms 6ms 6ms

2 bsdi (140.252.13.35) 6 ms

fragmentation required and DF set, trying new MTU = 1492








2 slip (140.252.13.65) 377 ms 377 ms 377ms


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Modify ICMP code on bsdi sun % traceroute.pmtu slip

traceroute to slip (140.252.13.65), 30 hop max

outgoing MTU = 1500

1 bsdi (140.252.13.35) 53ms 6ms 6ms

2 bsdi (140.252.13.35) 6ms

fragmentation required and DF set, Next hop MTU = 296

2 slip (140.252.13.65) 377ms 378MS 377 MS

올바른 MTU 를 찾기 전에 8 개의 다른 값으로 시도할 필요없다 .

router 는 제대로 된 값을 전달한다 .



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Path MTU Discovery with UDPPath MTU Discovery with UDP

UDP 를 이용하는 application 과 path MTU discovery

mechanism 간의 상호작용을 알아본다 .

Example– application 이 중간의 link 에 대해서 상당히 큰 datagram 을 write

한다– solaris : source host, slip : destination host

– sending data : solaris -> slip

– size of data : 650 bytes

– SLIP link MTU behind slip : 296

– 268 byte (296-20-8) 이상되는 UDP datagram( DF set) 은 router bsdi

가 ICMP error 를 생성하게 한다 .

– solaris % sock -u -i -n10 -w650 slip discard


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MTU=1500

bsdi

MTU=1500

sun netb solaris

MTU=1500 MTU=1500

SLIP

MTU=552 MTU=1500

SLIPslip

MTU=296 MTU=296

runtcpdump

here

650-byte UDP datagram with DF bit set

ICMP can’t fragment error

Figure 11.13 Systems used for path MTU discovery using UDP


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tcpdump output on sun1 0.0 solaris.36196>slip.discard:udp 650 (DF)

2 0.004218 (0.0042) bsdi>solaris: icmp:

slip unreachable - need to frag, mtu=0 (DF)

3 4.980528 (4.9763) solaris.36196>slip.discard:udp 650 (DF)



5 9.870407 (4.9763) solaris.36196>slip.discard:udp 650 (frag 47942:552@0+)

6 9.960056 (0.0896) solaris>slip: (frag 47942:106@552)





10 19.950463 (0.0604) solaris>slip: (frag 47944:106@552)





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tcpdump output on slip

1 0.0 solaris.38196>slip.discard: udp 650 (frag 47942:272@0+)

2 0.304513 (0.3045) solaris>slip: (frag 47942:272@272+)

3 0.334651 (0.0301) solaris>slip: (frag 47942:8@544+)

4 0.0.1320 (0.1320) solaris>slip: (frag 47942:106@552)

solaris 는 fragmetation(x), but DF bit 를 off


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Modify router bsdi – return next-hop MTU(ICMP error)

1 0.0 solaris.37974>slip.discard: udp 650 (DF)

2 0.004199 (0.0042) bsdi>solaris: icmp : slip unreachable - need to frag, mtu = 296 (DF)

3 4.950193 (4.9460) solaris. 37974>slip.discard: udp 650 (DF)

4 4.954325 (0.0041) bsdi>solaris: icmp : slip unreachable - need to frag, mtu = 296 (DF)


6 9.930018 (0.1502) solaris>slip: (frag 35278:272 @272+)

7 9.990170 (0.0602) solaris>slip: (frag 35278:114 @544)

source host 가 fragmentation 실행


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Interaction Between UDP and Interaction Between UDP and ARPARP

UDP 와 ARP 의 상호작용을 알아본다 . Example

sock 프로그램을 사용해서 8192 byte 를 생성 Ethernet 상에서 6 개의 fragment 로 나뉘어 질것이다 . 프로그램 실행 전에 ARP cache 가 비어있는지 확인

• 첫 번째 fragment 가 전송되기 전에 ARP request 와 reply 가 교환되어야 한다

bsdi % arp -a bsdi % sock -u -iI -w8192 svr4 discard

• 첫 번째 fragment 는 ARP request 를 전송하도록 유도• 나머지 fragment 들은 reply 가 오기전에 전송준비


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Interaction Between UDP and Interaction Between UDP and ARPARP

tcpdump output1 0.0 arp who-has svr4 tell bsdi

2 0.001234 (0.0012) arp who-has svr4 tell bsdi

7 0.008772 (0.0045) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26


9 0.011127 (0.0012) bsdi>svr4: (frag 10863:800@7400)


reply 가 돌아오기 전에 6 개의 ARP request 가 생성되었다 . 이는 6 개의 fragment 는 빠르게 생성이 되었고 각각의 fragment 에 의해서 ARP request 가 생성되었다 .

last packet 만이 전송되었다 .


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Interaction Between UDP and ARPInteraction Between UDP and ARP

ICMP error 는 전송되지 않았다 . IP layer 는 반드시 첫번째 fragment 가 도착할 때 timer 를

start 시켜야 한다 . “first” : first arrival fragment, not first fragment

timer 가 종료될 때 까지 해당 datagram 의 모든 fragment 가 도착하지 않았다면 , 모든 fragment 들은 discard 될 것이다 .

그렇지 않으면 수신자의 buffer 가 넘치게 되는 결과를 초래할 것이다 .

ICMP error 가 전송되지 않은 이유 Berkely : timer 가 종료되어 , 모든 fragment 를 거부 other : first fragment 가 도착되지 않았기 때문


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Maximum UDP Datagram SizeMaximum UDP Datagram Size

이론상 , IP datagram 의 최대 크기는 65535 bytes lenth field : 16 bit -> 216 - 1

UDP datagram 에서 User data 의 최대 크기는 65507 bytes 65507 = 65535 - IP header(20) - UDP header(8)


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ICMP source Quench ErrorICMP source Quench Error

처리할 수 없을 정도로 빠르게 datagram 을 받을 때 , system(host or router) 에 의해서 생성되기도 한다 .

시스템의 buffer 가 넘쳐서 datagram 을 버릴지라도 “ source quench” 의 전송은 반드시 이루어져야 하는 아니다 .

Example bsdi -> sun : Ethernet, sun -> : SLIP SLIP link = 100 * Ethernet link 이기 때문에 sun 의 버퍼가

쉽게 넘칠 것이다 . 100 개의 1024-byte datagram 을 전송 : bsdi -> sun -> solaris bsdi % sock -u -i -w1024 -n 100 solaris discard


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type(4) code(0) checksum

Unused (must be 0)

IP header(including options) + first 8bytes of original IP dagagram data

0 7 8 15 16 31

8 bytes

Figure 11.18 ICMP source quench error


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tcpdump output

1 0.0 bsdi.1403 > solaris.discard:udp 1024

26 lines thar we don’t show

27 0.10 (0.00) bsdi.1403>solaris.dicard: udp 1024

28 0.11 (0.01) sun>bsdi: icmp: source quench

29 0.11 (0.00) bsdi.1403>solaris.discard:udp 1024


142 lines thar we don’t show

173 0.71 (0.06) bsdi.1403>solaris.discard:udp 1024



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26 개의 datagram 은 에러없이 전송 , but 27 번째 datagram부터는 전송할 때마다 error 에러를 받는다 .

original tcpdump ouptut 26+(74( 버려진 datagram)*2(line))=174

전송 시간 sun -> solaris(SLIP) : 9600 bits/sec 로 1024byte 전송하는데

걸리는 시간은 1 초 조금 넘게 걸린다 . bsdi->sun(Ethernet) : 100 개의 datagram 이 1 초 이내에 sun 에

도착한다 .( 첫번째 datagram 이 SLIP Link 를 통과하기 전에 )


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UDP Server DesignUDP Server Design

UDP 를 이용하는 서버의 설계 및 구현시 고려사항 Client IP Address and Port Number Destination IP Address UDP Input Queue Restricting Local IP Address Restricting Foreign IP Address Multiple Recipients per Port

서버의 설계 및 구현은 대개 클라이언트 보다 어렵다 . O/S 와의 interaction, 동시에 여러 클라이언트들을 처리

Protocol 특성이라는 측면에서 다룬다 .


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Client IP Address and Port Number 서버에 클라이언트의 UDP datagram 이 도착

• IP header = Source IP Addr. + Destination IP Addr.

• UDP header = Source Port Num. + Destication Port Num 서버의 O/S 는 Source IP Addr. 와 Port Num. 을 통해서 ,

도착한 메시지의 발신지를 알 수 있다 . 동시에 여러 클라이언트를 처리가능하게 한다 .

• Source Addr. 과 Port Num. 을 통해서 각각의 request 에 대한 반복을 가능하게 한다 .


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Destination IP Address 몇몇 application 들은 datagram 이 어디로 전송되는지를

알고자 한다 .

Host Requirement RFC

• TFTP server 는 반드시 Destination 주소가 broadcast 주소로 된 datagram 은 무시한다 .

이는 O/S 가 수신된 UDP datagram 의 destination IP 주소를 Application 에 넘기도록 요구한다 .

모든 application 이 이 기능을 제공하는 것은 아니다 .


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UDP Input Queue 필요성

• UDP 서버는 단일 port 를 통해서 모든 클라이언트의 요청을 처리한다 .

각 UDP port 와 관계된 제한된 크기의 Input queue 가 존재• 여러 클라이언트로부터 동시에 도착한 요청들이 자동적으로

UDP 에 의해서 Queue 에 저장된다 .

Application 에 Datagram 전달 순서• 도착한 순서대로 전달 .(FIFO)

• Queue Overfolw 가 발생하면 , 커널의 UDP module 이 incoming

datagram 을 무시한다 .


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example of Input Queue overflow서버 bsdi

bsdi % sock -s -u -v -E -R256 -r256 -P30 6666

from 140.252.13.33, to 140.252.13.63 : 11111111111 from sun, to broadcast address

from 140.252.13.34, to 140.252.13.35 : 444444444444 from sun, to broadcast address

클라이언트 sun

sun % sock -u -v 140.252.13.63 6666 to Ethernet broadcat address

connected on 140.252.13.33.1258 to 140.252.13.63.6666

1111111111 11 bytes of data (with newline)




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클라이어트 svr4

svr4 % sock -u -v bsdi 6666

connected on 0.0.0.0.1042 to 140.252.13.35.6666




tcpdump output

1 0.0 sun.1252 > 140.252.13.63.6666: UDP 11

2 2.499484 (2.4992) svr4.1042 > bsdi.6666: UDP 14

3 4.959166 (2.4600) sun.1252 > 140.252.13.63.6666: UDP 10

4 7.607149 (2.4992) svr4.1042 > bsdi.6666: UDP 16

5 10.079059 (2.4719) sun.1252 > 140.252.13.63.6666: UDP 12

6 12.415943 (2.3369) svr4.1042 > bsdi.6666: UDP 9


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Input Queue Overflow 발생시 , UDP 는 application 에 알리지

않는다 .

• 초과된 datagram 들은 UDP 에 의해서 거절된다 .

datagram 이 거절되었다는 것을 클라이언트에게 알리지

않는다 .

UDP Input Queue 는 FIFO(first-in, first-out)


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Restricting Local IP Address 대부분의 UDP 서버들은 UDP end point 를 생성할때 ,

자신들의 local IP 주소를 wildcard 로 한다 .• 서버의 port 로 들어오는 UDP datagram 은 어떤 local interface

에서 든지 받아들여 진다 . Example sun % sock -u -s 7777

sun % netstat -a -n -f inet

Active Internet Connections (including sercers)

proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)

udp 0 0 *.7777 *.*

flag

-a : reports on all network end points, -n : print IP addr. as decimal number

-f net : report only TCP and UDP end point


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서버가 자신의 end point 를 생성시 , end point 에 대한 local IP addr. 로 호스트의 local IP address 중 하나를 명시하는 것이 가능 .

• if (destination addr. = specified local addr.), incomming datagram 이 end point 에 pass 됨 .

Examplesun % sock -u -s 140.252.1.29 7777

proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address(state)

udp 0 0 *.7777 *.*

tcpdump output

1 0.0 bsdi.1723 > sun.7777: UDP 13

2 0.000822 (0.0008) sun > bsdi: icmp: sun udp port 7777 unreachable


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동일한 port 에 다른 local IP addr. 를 갖는 Server• 대개 , 동일한 port 를 재사용한다 라는 것을 Application 에

알려야 한다 . Example sun % sock -u -s 140.252.1.29 8888 for SLIP link

sun % sock -u -s -A 140.252.13.33 8888 for Ethernet

sun % sock -u -s -A 127.0.0.1 8888 for loopback interface

sun % sock -u -s -A 140.252.13.63 8888 for Ethernet broadcasts

sun % sock -u -s -A 8888 everything else (wildcard IP address)


udp 0 0 *.8888 *.*

udp 0 0 140.252.13.63.8888 *.*

udp 0 0 127.0.0.1.8888 *.*

udp 0 0 140.252.13.33.8888 *.*

udp 0 0 140.252.1.29.8888 *.*


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Priority• wildcard address 를 갖는 end point 가 있다면 , 묵시적인

우선순위가 존재 .

• “destination IP addr. = specific IP addr” 인 종단점은 wildcard 보다 먼저 선택된다 .

• match 되는 것이 없을 경우에만 wildcard end point 가 이용된다 .


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Restricting Foreign IP Address 대부분의 implementations 경우 , UDP end point 로 하여금

foreign addr. 를 제한 .• end point 는 명시한 IP addr. 과 port 로 부터만 datagram 을 수

신 . Examplesun % sock -u -s -f 140.252.13.35.4444 5555


udp 0 0 140.252.13.33.5555 140.252.13.35.4444


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Multiple Recipients Per Port 대부분의 implementation

• An application end point - An local Addr.& port number

Example

sun % sock -u -s 9999

sun % sock -u -s 9999 we expect this to fail

can’t bind local address: Address Already in use

sun % sock -u -s -A 9999 so we try -A flag this time

can’t bind local address: Address Already in use


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multicating 을 지원하는 시스템의 경우

• Multiple end point - same local IP addr & UDP port number 가능

• 예 ) 4.4BSD 는 multicasting 을 지원

Multiple end point - same local IP addr & UDP port number

• destination IP addr =broadcast or multicast addr.

– incoming datagram 이 각 end point 에 전달됨 .

• destination IP addr =broadcast or multicast addr.

– incoming datagram 이 하나의 end point 에만 전달됨 .


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SummarySummary

UDP is a simple protocol. UDP 가 user process 에 제공하는 서비스는 단지 port number

들과 optional checksum 뿐이다 . ICMP unreachable error 는 new path MTU discovery feature

이다 . Traceroute 와 UDP 를 이용한 path MTU discovery

UDP 와 ARP 간의 interaction 대부분의 ARP implementation 들은 ARP 응답을 기다리는 동

안 , 주어진 목적지에 가장 최근에 전송된 datagram 을 보류한다 .

ICMP source quech error 는 처리할 수 없을 정도로 빠르게 datagram 을 받을 때 발생할 수 있다 .

UDP 를 이용하면 , 쉽게 error 를 발생시킬 수 있다 .

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제 11 장