UDP协议

UDP协议

1. 传输层

我们前面学习的HTTP，HTTPS是基于应用层的协议，实际发送数据时是把数据向下交付给传输层，传输层对数据处理后再向下交付，贯穿整个协议栈，才能把数据发送到网络中。传输层在这里的作用：提供传输策略，负责数据能够从发送端传输接收端。

1.1 再谈端口号

端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序;

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一个通信(可以通过netstat -n查看);

(1) 端口号范围划分

• 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。

(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
• ftp服务器, 使用21端口
• telnet服务器, 使用23端口
• http服务器, 使用80端口
• https服务器, 使用443

执行下面的命令, 可以看到知名端口号

cat /etc/services

(3) 两个问题

1. 一个进程是否可以bind多个端口号? 可以
2. 一个端口号是否可以被多个进程bind? 不可以

(4) netstat

netstat是一个用来查看网络状态的重要工具。

• 语法：netstat [选项]
• 功能：查看网络状态
• 常用选项：
  • n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字
  • l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
  • p 显示建立相关链接的程序名
  • t (tcp)仅显示tcp相关选项
  • u (udp)仅显示udp相关选项
  • a (all)显示所有选项

指令演示

查看tcp相关网络信息(仅在Listen状态)，一般选择使用-nltp组合选项(查看udp时把t换成u即可)

netstat -nltp

查看所有的tcp和udp相关网络信息

netstat -natp    // tcp
netstat -natp    // udp

(5) pidof

在查看服务器的进程id时非常方便。

• 语法：pidof [进程名]
• 功能：通过进程名, 查看进程id

指令演示

2. UDP协议

2.1 UDP协议端格式

前8个字节代表UDP协议的报头

• 16位UDP长度：表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度，故UDP报文最大长度为64KB
• 16位UDP校验和：如果校验和出错，就会直接丢弃;

(1) 2个核心问题(解包与分用)

1. UDP是怎么做到报头和有效载荷分离呢？

• 报头长度是固定的8个字节，报文读完8个字节后就是有效载荷；

• 有效载荷读取长度 = 16UDP长度(整个数据报的长度) - 8字节报头长度

2. 有效载荷是如何做到交付给应用层的哪一个进程呢？

   根据目的端口号向上交付给应用层，绑定该端口号的进程，即分用的过程

(2) 深入理解UDP协议

上图中所画的报文，究竟是什么呢？

UDP协议属于传输层协议，是在操作系统内核中的，linux内核是由C语言写的，则UDP协议也是用C语言实现的，所以所谓的报头就是一种结构化数据，在C语言中可以采用结构体或位段来实现。

什么叫做封装呢？

定义一个大的缓冲区向其中添加字段

什么叫做解包呢？

定位出报头和有效载荷，根据报头中的字段来解析内容

2.2 UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信。

• 无连接: 知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接;
• 不可靠: 没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层
  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;

面向数据报

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

• UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部)。

• 如果我们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;

• 用UDP传输100个字节的数据：如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节。即UDP协议，发送函数的次数 : 接收函数的次数 = 1 : 1

2.3 UDP的缓冲区

• UDP没有真正意义上的发送缓冲区。调用sendto会直接交给内核, 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报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃;

UDP的socket既能读, 也能写, 这个概念叫做全双工

2.4 UDP使用注意事项

• 我们注意到, UDP协议首部中有一个16位的最大长度. 也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部)。
• 然而64K在当今的互联网环境下, 是一个非常小的数字。如果我们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;

2.5 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)
  据最大长度是64K(包含UDP首部)。
• 然而64K在当今的互联网环境下, 是一个非常小的数字。如果我们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;

2.5 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