【网络】UDP协议

文章目录

一. 初识UDP

1. UDP简介

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，它提供了一种简单的、不可靠的数据传输服务。

UDP 提供了不面向连接的通信，且不对传送的数据报进行可靠的保证，适用于一次传送少量的数据，不适用于传输大量的数据。

UDP属于网络协议栈中的传输层协议，直接负责数据的传输和接收：

2. UDP协议的特点

特点一：无连接

两台主机在使用UDP进行数据传输时，不需要建立连接，只需知道对端的IP和端口号即可把数据发送过去。

特点二：不可靠

UDP协议没有没有确认重传机制，如果因为网络故障导致报文无法发到对方，或者对方收到了报文，但是传输过程中乱序了，对方校验失败后把乱序的包丢了，UDP协议层也不会给应用层任何错误反馈信息。

PS：在网络中，“不可靠”是个中性词，因为可靠就意味着要付出更多的代价去维护可靠，实现起来会复杂很多；而“不可靠”的话，实现起来会更简单。

特点三：面向数据报

UDP传输数据时，是以数据报文为单位一个个地发出去，然后一个个地接收的，这导致上面应用层无法灵活控制数据数据的读写次数和数量。

比如用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去全部接收这100个字节，而不能循环调用10次recvfrom，每次接收10个字节。

3. UDP报文的格式

具体每个字段的细节会在下文中介绍

理解报头

UDP协议属于内核协议栈，而内核是用C语言写的，在底层UDP的报头是一个位段类型的结构体

4. UDP的缓冲区

• UDP没有真正意义上的发送缓冲区。调用sendto会直接把数据交给内核，简单包装后由内核将数据传给网络层协议进行再后续的传输动作。
• UDP具有接收缓冲区- 这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文顺序和发送时UDP报文的顺序一致。比如我们网购多件商品，不是说谁先发货就先收到那个包裹，这些包裹运输途中的路径、运输方式、中转时间等都是不一样和不确定的；UDP发出去的报文也要经过各种路由转发，每个报文选择的路径并非是一样的，这也导致了UDP报文实际发的顺序和最终收的顺序不一定一致。- 如果接收端来不及收或收的慢的话，会导致UDP的接收缓冲区存满，之后到达的UDP报文因为无法存下而只能把它丢弃。

5. 基于UDP实现的用户层协议

• 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

二. UDP报文中各个字段

1. 原端口号与目的端口号（16位）

1.1 认识端口号

• IP：32位无符号整数，用来标识公网中唯一的一台主机
• 端口号：16位无符号整数，标识了主机中唯一的一个进程

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

netstat命令介绍

功能：查看当前主机下的网络状况

语法：netstat[选项]

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，默认不显示Listen相关

示例

端口号和进程的关系

• 一个进程可以绑定多个端口号
• 一个端口号只能被一个进程绑定

实际需要：通过端口号来找进程，所以要确保端口号到进程的唯一性；而实际中不会有通过进程来找端口号的情况，所以不关心进程绑定了多少个端口号

1.2 端口号范围划分

端口号一共有 2^16 = 65536 个，其中前面的端口号被分配给了一些常用的协议。

• 知名端口号（0 - 1023）: HTTP、FTP、SSH等这些广为使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的
• 其他端口号（1024 - 65535）: 这个范围内的端口号是在我们使用时，由操作系统从动态配的

认识知名端口号

在网络中，有些服务器是经常被大家都用到的，这时为了使用方便，人们给这些服务器约定俗成地绑定了一些特定的端口，之后大家使用这些服务时，通过端口号就能直接知道你所使用的服务类型是什么。

下面是一些知名端口及其所对应的服务类型，我们自己写程序需要设置端口号时，注意避开这些知名端口号：

• 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端口

我们可以通过命令：

less /etc/services

来查看所有知名端口和它们对应的服务：

1.3 UDP中端口号字段的作用

有了目的端口号，就能找到对应的服务器进程，然后在这个进程上获取服务，此外还可以把自己的端口号（源端口号）告诉服务器，服务器得到后也可以向源客户端进程发送数据，这样双方就能全双工的通信了。

问题：UDP如何决定，将自己的有效载荷交付给上层的那个进程呢？

1. 分割8字节的定长报头，然后拿到里面的16位目的端口号
2. 系统中有一个长度为65536的数组hash，根据下标（端口号）直接定址法存储对应进程的PCB（进程控制快）
3. 通过 hash[目的端口号] 直接可以找到对应的服务进程

2. UDP长度（16位）

UDP协报头中有一个16位的最大长度的字段，也就是说一个UDP报文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。

UDP把数据包交给应用层后，应用层如何让报头和有效载荷分离？

先读取8字节的定长报头，在读取里面的16位UDP长度字段，减去8字节后得到的就是有效载荷的长度，知道了报头和有效载荷的大小就能把二者明显地区分开了。

3. UDP校验和（16位）

报文在进行网络传输时，会经过各种传输线、路由器、信号放大器等传输介质，且随着网络的状况不同，每个包具体选择的路径也不一样。在网络传输中，受到外界干扰，数据可能会出错，比如某几个位置的数据发生了乱序，0变成1，1变成0；因此，在接收方收到数据后，就需要先确认一下，这个报文数据是否在传输过程中发送了乱序。校验和就是简单有效的方式。

实际的校验和，不仅仅是一个”长度“，而是根据数据的内容来生成的。当内容发生改变的时候，就能感知出错误。

UDP的校验和具体是怎么实现的呢？使用了一种简单粗暴的循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check， CRC）算法：

加着加着，可能就溢出了~~溢出也无所谓。所有字节都加了一遍，最终就得到了校验和。传输数据的时候，就会把原始数据和校验和一起传递过去。接收方收到数据，同时也收到了发送端送过来的校验和（旧的校验和）。接收方按照同样的方式再算一遍，得到新的校验和。如果旧的校验和和新的校验和相同，就可以认为数据传输过程中是正确的。如果不同，则视为传输过程中数据出错了。

但是，有时候会出现，校验和相同，但是传输的数据和发送时候的数据不同，也就是数据发生了乱序，但校验和是对的。

比如：好巧不巧，某个字节，多了1。某个字节，少了1。二者相加，正好抵消。

此校验和方法并不是那么严谨，但在工程上，也是够用的。