【Linux】网络基础之UDP协议

前言

这篇文章给大家带来传输层种UDP协议学习！！！

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1、传输层

传输层是网络协议栈中重要的一层结构，前面所讲的应用层是调用下层协议来完成数据传输的

【传输层 – 百度百科】

• 传输层：主要负责向两个主机中进程之间的通信提供服务，负责数据能够从发送端传输接收端

• 传输层常用的二个协议分别是UDP（用户数据报协议）和 TCP（传输控制协议）

• 传输层提供逻辑连接的建立、传输层寻址、数据传输、传输连接释放、流量控制、拥塞控制、多路复用和解复用、崩溃恢复等服务

• 传输层中的大部分服务都是由TCP提供的，而UDP是无链接、不靠谱、面向数据报的，不用考虑超时重传、流量控制、拥塞控制等服务

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2、重谈端口号

端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序（进程）

端口号

• 源端口号：标识发送主机上进行网络通信的某个进程（具有唯一性）

• 目的端口号：标识接收主机上进行网络通信的某个进程（具有唯一性）

IP地址

IP地址是网络层IP协议中，用来标识网络中不同主机的地址（具有唯一性）

• 源IP地址：标定广域网（公网）中主机唯一性的地址（发送数据方的IP地址）

• 目的IP地址：标定广域网（公网）中主机唯一性的地址（接收数据方的IP地址）

• 通过IP地址和端口号可以标定网络中某台主机上的某个进程（具有唯一性）

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在TCP/IP协议中，用 “源IP”，“源端口号”，“目的IP”, “目的端口号”，“协议号” 这样一个五元组来标识识别一个通信

下图解析

• 图中有三台主机，最左边这台是服务器，其余二台都是主机

• 客户端A在浏览器中启动了二个网页，它们IP地址一样，但是每个网页的端口号都不同，服务器可以根据传输层报文中的端口号对网页进行区分，从而构建不同的线程对其进行服务

• 客户端B只是单纯的起了一个网页，虽然它的端口号和客户端A的某个网页相同，但是它们的IP地址不同，说明它们不是相同的主机

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2.1、端口号范围划分

端口号分为：知名端口号和动态端口号

• [0, 1023]：知名端口号，HTTP, FTP, SSH等这些广为使用的应用层协议，他们的端口号都是固定的

• [1024, 65535]：操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号，就是由操作系统从这个范围分配的

• 注意：如果客户端程序绑定了知名端口号，可能会导致主机中的某些服务后续启动失败 或 启动当前的客户端失败等问题，因为端口号具有唯一性

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2.2、认识知名端口号

有些服务器是非常常用的，为了使用方便，人们约定一些常用的服务器，都是用以下这些固定的端口号

• ssh服务器，使用22端口号
• ftp服务器，使用21端口号
• telnet服务器，使用23端口号
• http服务器，使用80端口号
• https服务器，使用443端口号

• 我们自己写一个程序使用端口号时，要避开这些知名端口号

• 一个进程可以绑定多个端口号，但是一个端口号只能被一个进程绑定（唯一性）

下面的命令, 可以查询知名端口号的服务

cat /etc/services

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3、UDP协议

3.1、UDP协议报文结构

下图为UDP协议报文的组成结构

• UDP报文的前64位（8字节）是UDP报文的首部，下面的数据是有效载荷，如果上层协议有数据则会放在这

• 16位UDP长度：表示整个UDP数据报（UDP首部 + UDP有效载荷（数据））的最大长度

• 16位UDP检验和：校验整个UDP的报文，包括UDP首部 和 UDP有效载荷在传输的过程中是否损坏，如果出错了则会直接丢弃数据包了（可选）

• 数据（有效载荷）：应用层需要网络传输的数据（write、sendto、send接口等等）将会存放在这

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UDP报文在代码中的逻辑结构

• 由于操作系统是C语言实现的，那么UDP报文就是一个结构化数据（结构体）

• UDP报文的相关字段就是通过结构体进行保存的

• 我们所知的字段有源端口号、目的端口号、DUP数据报总长度和校验和

• 最后的数据（有效载荷），是应用层通过调用sendto、sendmsg系统调用来传输到下层UDP协议中的

UDP首部在内核中的表示方式，如下代码：

struct udphdr 
{
    __u16   source;  // 源端口
    __u16   dest;    // 目标端口
    __u16   len;     // 数据包长度
    __u16   check;   // 校验和
};

sendto系统调用的调用链：

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3.2、UDP协议的特点

特点：

• 无连接：只要知道接收方的IP地址和端口号就能直接进行网络传输，不需要建立连接（三次握手）再通信

• 不可靠：没有确认应答机制，没有超时重传机制等等；如果因为网络故障发送失败，UDP协议也不会给应用层返回任何错误信息

• 面向数据报：不能够灵活的控制读写数据的次数和数量（不能将数据报拆分开来发送，只能一次性发送）

• 注意：不可靠是一个中性词，要看场景来选定协议，如果对比赛进行转播，那么肯定使用udp协议，因为丢包了只会卡住一会，如果使用tcp协议，丢包了，会直接掉线

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面向数据报：

• 原理：应用层交给UDP协议多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并

• 如果发送端调用一次sendto，发送200个字节，那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom，接收200个字节；且不能循环调用10次recvfrom，每次接收20个字节

• 面向数据报不像面向字节流一样可以拆分和分段的发送，只能一次性发完全部数据

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UDP缓冲区：

• UDP其实没有真正意义上的发送缓冲区，因为它是不可靠的，直接调用sendto将网络传输的数据拷贝给内核，由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作

• UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文的顺序和发送UDP报文的顺序一致（数据报在网络传输中可能会由于路由选择的原因，走的比较慢或数据翻转等原因）

• 如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃

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UDP协议注意事项

• UDP协议首部中的每个字段占16位的最大长度（2字节），也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首部的全部字段）

• 如果使用UDP协议需要传输的数据超过64K，就需要在应用层手动的分包，多次发送，并在接收端手动拼装（这样就跟TCP协议面向字节流一样需要拼接合并了）

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3.3、基于UDP的应用层协议

• NFS：网络文件系统
• TFTP：简单文件传输协议
• DHCP：动态主机配置协议
• BOOTP：启动协议(用于无盘设备启动)
• DNS：域名解析协议
• 也包括自己写的UDP程序时自定义的应用层协议