【探索Linux】P.35（传输层 —— UDP协议）

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引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了网络协议的应用层，揭示了各种协议如何协同工作以确保信息在网络中正确、高效地传递。从HTTP到FTP，每一层协议都扮演着至关重要的角色，为数据的传输提供了必要的结构和规则。

现在，让我们将视线转向网络的另一层——传输层。在这一层，UDP协议和TCP以其独特的特性和应用场景，成为了我们接下来要重点介绍的对象。首先UDP，即用户数据报协议，是一种无连接的传输层协议，它提供了一种简单、快速的方式来传输数据，尽管它并不保证数据的可靠交付。

准备好了吗？让我们开始探索传输层的奥秘，深入了解UDP协议的世界。

一、UDP协议端格式

UDP（用户数据报协议）是一种在IP网络中用于简单数据传输的传输层协议。它是一种无连接的协议，这意味着在数据传输之前不需要建立一个连接。UDP协议的端格式相对简单，主要包括以下几个部分：

1. 源端口号（Source Port）：16位，用于标识发送端的端口号。如果发送端没有指定端口，操作系统会随机选择一个可用的端口。
2. 目的端口号（Destination Port）：16位，用于标识接收端的端口号，确保数据能够正确地发送到目标应用程序。
3. 长度（Length）：16位，表示UDP数据报的总长度，包括UDP头部和UDP数据的字节数。最小长度为8字节。
4. 校验和（Checksum）：16位，用于错误检测。如果校验和为零，接收端可以选择忽略校验和的验证。校验和的计算包括UDP头部、UDP数据以及伪头部。
5. UDP数据（Data）：长度可变，是实际传输的数据部分。

伪头部加上UDP头部和数据部分，共同构成了一个完整的UDP数据报。UDP的这种简单结构使得它在需要快速传输数据且对可靠性要求不高的场景下非常有用，如视频会议、在线游戏等。

二、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

🚨注意：由于UDP不保证数据的顺序、完整性或可靠性，因此在需要这些保证的应用中，通常会使用TCP协议。

三、UDP的缓冲区

1. 发送操作：UDP没有传统意义上的发送缓冲区。当应用程序调用sendto函数发送数据时，数据会直接被传递给操作系统的内核。内核随后负责将这些数据作为UDP数据报发送到网络层，进而进行网络传输。
2. 接收缓冲区：UDP提供了接收缓冲区来暂存接收到的数据报。然而，这个缓冲区并不保证接收到的数据报会按照发送时的顺序进行排列。如果接收缓冲区被填满，新到达的数据报可能会被丢弃。
3. 全双工通信：UDP支持全双工操作，这意味着socket可以同时进行读取和写入操作。这种能力允许应用程序在接收数据的同时发送数据，两者互不干扰，提高了通信的效率。

综上所述，UDP协议的设计强调了传输的效率和简洁性，但牺牲了对数据顺序和可靠性的保证。因此，使用UDP协议的应用程序可能需要在应用层实现额外的机制来处理数据顺序和丢失的问题。

四、基于UDP的应用层协议

✅基于UDP的应用层协议利用了UDP的简单性和低延迟特性，通常用于那些对实时性要求较高、可以容忍一定数据丢失的应用场景。以下是一些常见的基于UDP的应用层协议：

1. DNS（域名系统）：用于将域名转换为IP地址，DNS协议在查询和响应中使用UDP来提供快速的域名解析服务。
2. DHCP（动态主机配置协议）：用于自动分配IP地址和其他网络配置给设备，DHCP使用UDP来快速配置网络设备。
3. SNMP（简单网络管理协议）：用于网络管理，监控网络设备的状态和性能，SNMP使用UDP来传输管理信息。
4. TFTP（简单文件传输协议）：一种简单的文件传输协议，用于在客户端和服务器之间传输文件，TFTP使用UDP来实现快速文件传输。
5. RTP（实时传输协议）：用于传输实时数据，如音频和视频，RTP通常与RTCP（实时传输控制协议）一起使用，RTCP提供传输质量反馈。
6. STUN/TURN/ICE：这些协议用于NAT穿透，允许在防火墙和NAT（网络地址转换）设备后面进行语音、视频和数据通信。
7. VoIP（网络电话）：许多VoIP服务使用UDP来传输语音数据，因为它可以提供较低的延迟。
8. 在线游戏：许多在线多人游戏使用UDP来实现快速的游戏内通信，如玩家位置更新和实时交互。
9. 流媒体服务：一些流媒体服务使用UDP来传输视频和音频数据，以减少缓冲和提高播放的流畅性。
10. NTP（网络时间协议）：用于同步计算机的时钟，NTP使用UDP来快速发送时间同步数据。
11. SIP（会话初始协议）：用于建立、修改和终止多媒体会话，SIP使用UDP来实现快速的会话控制。

这些协议利用UDP的特性来提供快速、高效的服务，但同时也需要在应用层实现额外的机制来处理数据的顺序、完整性和可靠性问题。

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