【计算机网络】UDP协议详解

目录

前言      

端口号的拓展

端口号范围划分

netstat

pidof

UDP协议

UDP协议端格式

UDP的特点

面向数据报

UDP的缓冲区

UDP使用注意事项

基于UDP的应用层协议

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前言      

  我们前面讲完了http和https协议，它们都属于应用层，按照TCP/IP五层模型，我们下一层该讲解传输层了。传输层又分为TCP协议和UDP协议，五层模型都以TCP/IP命名，可想而知TCP重要性。所以本章及后面的章将详细讲解TCP和IP，以及它们之间的区别。

端口号的拓展

我们之前说了，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)。利用ip地址+端口号可以定位全球上唯一一个进程。

        知道了ip地址，便知道了对方主机的位置；至于传送给哪个应用处理程序，是根据端口号决定的。每个应用处理程序都会有一个或多个端口号。

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 -nltp查看);

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.

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等等

        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.例如我们平常运行自己程序所用的是8080端口，或其它端口都可以

我们可以使用以下指令来查看所有的知名端口号：

cat /etc/services

我们自己在写程序使用端口号时，要尽量与这些知名端口号避开。 

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，默认不显示LISTEN相关

例如我们平常所用的

netstat -nltp

  即将所有全部显示为数组，然后仅显示listen相关的服务，然后显示与tcp相关连接的程序名字。

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

当我们运行起来一个进程后，使用pidof可以直接找到对应的pid，而不用使用ps和grep找了。

我们也可以搭配xargs使用，它可以将管道的内容作为命令行参数使用，我之前在讲linux基础命令时也有讲过。

例如平常使用管道时：

cat log.txt | tail -10

该命令是先输出log.txt里的内容，然后作为输入传送给tail，然后取后10行的内容并输出。

xargs：

pidof HttpServer | xargs kill -9

该命令会将得到的HttpServer的pid，作为kill的参数，相当于是kill -9 pid.

UDP协议

UDP协议端格式

我们首先要知道几乎任何协议都要优先解决两个问题：

a.如何分离(封装)    b.如何交付

至于是如何解决的，每个协议的方式不一样，UDP采用的是定长报头的方式来解决的。

其中数据(有效载荷)是上一层应用层的数据，上面8个字节便是UDP的报头。

16位UDP长度 是UDP报头的长度和数据的长度之和。所以提取数据时，要将16位UDP长度-8字节便是数据的长度了。

这样，问题便解决了：

a.如何分离:采用固定长度(8字节)的报头，将报头和数据(有效载荷)分离

b.如何交付:分离出来后，根据报头中的16位目的端口号，进行向上交付。因为进程bind了端口号，知道端口号便知道交给哪个进程。

所以，这也能解释

a.我们平常编写代码时，端口号通常使用uint16_t类型，因为端口号是16位的。

b.udp是如何提取完整报文的？先提取固定长度的报头，再根据报头中的16位udp长度 -8，剩下的长度便是数据总长度了。这同时也说明UDP是面向数据报的，这个后面会详细说明。

UDP的特点

• 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;

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, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节;

总之就是，你发几次，我就严格的收几次，不会多也不会少。

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

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.

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

当然, 也包括你自己写UDP程序时自定义的应用层协议.

到这里，UDP协议的内容就讲解完了，当然这个比较简单，TCP是我们要讲解的重点，下一章，我们将详细介绍TCP协议。