tcp/ip协议学习笔记(7)UDP用户数据报协议

    UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。这与面向流字符的协议不同，如TCP，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个IP数据报可能没有什么联系。RFC768是UDP的正式规范

1、UDP报文封装

UDP首部报文格式如下

 0          7 8       15 16       23 24       31  
 +—---—----+----------+-----------+----------+ ——
 |     Source Port      |   Destination Port   |  ↑
 +-----------+----------+-----------+----------+ 8byte
 |     Length           |   Checksum           |  ↓
 +-----------+----------+-----------+----------+ ——
 |          data octets ...                    |
 +---------------------------------------------+               
         User Datagram Header Format

端口号表示发送进程和接收进程，UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK的）。这个UDP长度是有冗余的。IP数据报长度指的是数据报全长，因此UDP数据报长度是全长减去IP首部的长度。

特点：不可靠、易分片

UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。

分片：应用程序必须关心IP数据报的长度。如果它超过网络的MTU，那么就要对IP数据报进行分片。如果需要，源端到目的端之间的每个网络都要进行分片，并不只是发送端主机连接第一个网络才这样做。

2、IP分片

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装。

IP首部中部分字段用于报文分片组装，具体参见tcp/ip协议学习笔记(3)Internet Protocol(IP)

对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置1，下面简单抓一个分片ping包看一下

第一片

第二片

在分片时，除最后一片外，其他每一片中的数据部分（除IP首部外的其余部分）必须是8字节的整数倍。

标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置1，IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文给起始端

尽管IP分片过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。为什么会发生这种情况呢？因为I P层本身没有超时重传的机制——由更高层来负责超时和重传（T C P有超时和重传机制，但U D P没有)

IP数据报:是指IP层端到端的传输单元（在分片之前和重新组装之后）

分组是指在IP层和链路层之间传送的数据单元。一个分组可以是一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。

3、UDP数据报最大长度

理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20字节的IP首部和8个字节的UDP首部， UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。但是，大多数实现所提供的长度比这个最大值小。其中两个限制因素：

第一，应用程序可能会受到其程序接口的限制。socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。对于UDP socket，这个长度与应用程序可以读写的最大U D P数据报的长度直接相关。现在的大部分系统都默认提供了可读写大于8192字节的UDP数据报

第二个限制来自于TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性（或差错），使IP数据报长度小于65535字节

4、UDP服务器的设计与实现

/*********************************************************************************
  *Author     :  wph
  *Version    :  1.0
  *Date       :  2014/03/01  
  *Description:  udp server 
  *Others     : 
  *History    :   
**********************************************************************************/
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include
#include

#include "errocode.h"
#include "basetype.h"

#define INVALID_FD		-1
#define PORT 			1234  
#define MAXDATASIZE 	512 

STATIC INT g_iudpFd = INVALID_FD;

VOID udp_callback(evutil_socket_t fd, short what, void *arg)
{
	struct sockaddr_in client;  
	socklen_t addrlen;  
	int num;  
	char buf[MAXDATASIZE]; 
	
	memset(buf, 0, MAXDATASIZE);
	num = recvfrom(fd, buf, MAXDATASIZE, 0, (struct sockaddr*)&client, &addrlen);                                     
	if (num < 0)  
	{  
		perror("recvfrom() error\n");  
		exit(1);  
	} 
	
	printf("You got a message (%s) from client.\nIt's ip is%s, port is %d.\n", 
		    buf, inet_ntoa(client.sin_addr), htons(client.sin_port)); 
	
    sendto(fd, buf, num, 0, (struct sockaddr *)&client, addrlen);  
}

ULONG udp_init(VOID)
{
	int sockfd;  
	struct sockaddr_in server;  
	
	/* The caller has already set up fd1, fd2 somehow, and make them
	   nonblocking. */
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if(INVALID_FD == sockfd)   
	{  
		perror("Creatingsocket failed.");  
		exit(1);  
	} 
	
	bzero(&server, sizeof(server));  
	server.sin_family = AF_INET;  
	server.sin_port= htons(PORT);  
	server.sin_addr.s_addr= htonl(INADDR_ANY);  
	if(-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)))  
	{  
		perror("Bind()error.");  
		exit(1);  
	}
	
	g_iudpFd = sockfd;
	
	return EROOR_SUCCESS;
}

VOID udp_fini(VOID)
{
	int sockfd = g_iudpFd;  

	if (INVALID_FD != sockfd)
	{	
		close(sockfd);
	}
}
VOID main_loop(VOID)
{
	INT ifd = g_iudpFd;
        struct event *ev1;
	struct timeval five_seconds = {5,0};
	struct event_base *base = event_base_new();

	/* upd 服务器采用libevet进行处理 */
	ev1 = event_new(base, ifd, EV_TIMEOUT|EV_READ|EV_PERSIST, udp_callback, NULL);

	event_add(ev1, &five_seconds);
	event_base_dispatch(base);
	
    return ;
}
INT main()
{
	if(EROOR_SUCCESS != udp_init())
	{
		return -1;
	}
	
	main_loop();

	udp_fini();
	
	return 0;
}

/*********************************************************************************
  *Copyright(C),2010-2011,
  *Author     :  wph
  *Version    :  1.0
  *Date       :  2014/03/01  
  *Description:  udp client 
  *Others     : 
  *History    :   
**********************************************************************************/
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   

#include "errocode.h"
#include "basetype.h"

#define INVALID_FD		-1
#define PORT 			1234  
#define MAXDATASIZE 	512 
 
INT main(INT argc, CHAR *argv[])  
{  
	INT  isockfd = INVALID_FD;
    UINT uinum = 0;  
	char buf[MAXDATASIZE];
	socklen_t  addrlen;  
	struct hostent *he;  
	struct sockaddr_in server;
	struct sockaddr_in peer;  

	if (3 != argc)  
	{  
		printf("Usage: %s \n", argv[0]);  
		exit(1);  
	}  

	if (NULL == (he=gethostbyname(argv[1])))  
	{  
		printf("gethostbyname()error\n");  
		exit(1);  
	}  

	if (INVALID_FD == (isockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM,0)))  
	{  
		printf("socket() error\n");  
		exit(1);  
	}  

	bzero(&server,sizeof(server));  
	server.sin_family = AF_INET;  
	server.sin_port = htons(PORT);  
	server.sin_addr= *((struct in_addr *)he->h_addr);  
	sendto(isockfd, argv[2],strlen(argv[2]),0,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server));  
	addrlen=sizeof(server);  
	while (1)  
	{  
		if((uinum=recvfrom(isockfd, buf, MAXDATASIZE, 0, (struct sockaddr *)&peer, &addrlen))== -1)  
		{  
			printf("recvfrom() error\n");  
			exit(1);  
		}  
		if (addrlen != sizeof(server) || memcmp((const void *)&server, (const void *)&peer, addrlen) != 0)  
		{  
			printf("Receive message from otherserver.\n");  
			continue;  
		}  

		buf[uinum]='\0';  
		printf("Server Message:%s\n", buf);  
		break;  
   }  

 close(isockfd);  
}  

演示：

[root@localhost server]# ./udpserver &
[1] 1389
[root@localhost server]# ./udpclient 127.0.0.1 "i like you"
You got a message (i like you) from client.
It's ip is127.0.0.1, port is 34340.
Server Message:i like you
[root@localhost server]# netstat -aun
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
udp        0      0 0.0.0.0:68              0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:111             0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:631             0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:123             0.0.0.0:*
udp        0      0 192.168.1.255:137       0.0.0.0:*
udp        0      0 192.168.1.105:137       0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:137             0.0.0.0:*
udp        0      0 192.168.1.255:138       0.0.0.0:*
udp        0      0 192.168.1.105:138       0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:138             0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:17585           0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:1234            0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:816             0.0.0.0:*
udp        0      0 0.0.0.0:323             0.0.0.0:*
udp6       0      0 :::111                  :::*
udp6       0      0 :::123                  :::*
udp6       0      0 :::816                  :::*
udp6       0      0 :::323                  :::*
udp6       0      0 :::45117                :::*