「前言」文章內(nèi)容大致是傳輸層協(xié)議，UDP協(xié)議講解。

「歸屬專欄」網(wǎng)絡(luò)編程

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「筆者」楓葉先生(fy)

一、傳輸層

HTTP協(xié)議普通用戶認(rèn)為是將請求和響應(yīng)直接發(fā)送到了網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。但實際應(yīng)用層需要先將數(shù)據(jù)交給傳輸層，由傳輸層對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理后再將數(shù)據(jù)繼續(xù)向下進(jìn)行交付，該過程貫穿整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終才能將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中

傳輸層負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。它主要解決了主機之間的通信問題。

常見的傳輸層協(xié)議有TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），傳輸層已經(jīng)是操作系統(tǒng)內(nèi)核部分了

下面學(xué)習(xí)的是UDP協(xié)議，TCP在下一篇。

二、UDP協(xié)議

2.1 再談端口號

重談概念

端口號是在傳輸層中使用的一個標(biāo)識符，用于識別不同的應(yīng)用程序或服務(wù)。它是一個16位的整數(shù)（2字節(jié)），范圍從0到65535

• 端口號的組合由IP地址和端口號一起構(gòu)成了一個套接字（Socket），用于唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的通信終點。
• 在傳輸層的通信中，源主機使用源端口號，目標(biāo)主機使用目標(biāo)端口號，以便正確地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的應(yīng)用程序或服務(wù)。
• 通過使用不同的端口號，傳輸層可以實現(xiàn)多個應(yīng)用程序同時進(jìn)行通信，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和接收。

端口號的作用

• 端口號（Port）標(biāo)識一個主機上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的不同的應(yīng)用程序，即標(biāo)識主機上進(jìn)程的唯一性
• 從網(wǎng)絡(luò)中獲取的數(shù)據(jù)在進(jìn)行向上交付時，在傳輸層就會提取出該數(shù)據(jù)對應(yīng)的目的端口號，進(jìn)而確定該數(shù)據(jù)應(yīng)該交付給當(dāng)前主機上的哪一個服務(wù)進(jìn)程
• 即在傳輸層協(xié)議的報頭當(dāng)中就會包含與端口相關(guān)的字段

這些概念在套接字篇章都談過了，不再贅述

五元組

在TCP/IP協(xié)議中，用“源IP地址”，“源端口號”，“目的IP地址”，“目的端口號”，“協(xié)議號”這樣一個五元組來標(biāo)識一個通信。

比如有多臺客戶端主機同時訪問服務(wù)器，這些客戶端主機上可能有一個客戶端進(jìn)程，也可能有多個客戶端進(jìn)程，它們都在訪問同一臺服務(wù)器。

而這臺服務(wù)器就是通過“源IP地址”，“源端口號”，“目的IP地址”，“目的端口號”，“協(xié)議號”來識別一個通信的。

2.2.1 端口號范圍劃分

端口號的長度是16位，因此端口號的范圍是0 ~ 65535：

• 已知端口號（Well-known Ports）是指被分配給特定服務(wù)或協(xié)議的端口號，范圍從0到1023
• 動態(tài)端口號（Dynamic Ports）是指在使用過程中臨時分配給應(yīng)用程序的端口號，范圍從1024到65535。
• 0 ~ 1023：知名（已知）端口號。比如HTTP，F(xiàn)TP，SSH等這些廣為使用的應(yīng)用層協(xié)議，它們的端口號都是固定的。
• 1024 ~ 65535：操作系統(tǒng)動態(tài)分配的端口號?？蛻舳顺绦虻亩丝谔柧褪怯刹僮飨到y(tǒng)從這個范圍分配的。

2.2.2 認(rèn)識知名端口號

有些服務(wù)器是非常常用的, 為了使用方便, 人們約定一些常用的服務(wù)器, 都是用以下這些固定的端口號:

• ssh服務(wù)器，使用22端口。
• ftp服務(wù)器，使用21端口。
• telnet服務(wù)器，使用23端口。
• http服務(wù)器，使用80端口。
• https服務(wù)器，使用443端口。

查看知名端口號:

vim /etc/services

我們自己寫一個程序使用端口號時，要避開這些知名端口號

2.2.3 端口號注意問題

一個進(jìn)程是否可以綁定多個端口號？

• 一個進(jìn)程可以綁定多個端口號。這與“端口號必須唯一標(biāo)識一個進(jìn)程”是不沖突的
• 在某些情況下，一個進(jìn)程可能需要同時提供多個服務(wù)或協(xié)議，或者需要同時監(jiān)聽多個端口來處理不同類型的數(shù)據(jù)

一個端口號是否可以被多個進(jìn)程綁定？

• 一個端口號通常只能被一個進(jìn)程綁定（%99的情況下都是）。每個端口號在一個特定的時間點只能由一個進(jìn)程使用，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和接收
• 如果綁定一個已經(jīng)被綁定的端口號，就會出現(xiàn)綁定失敗的問題

2.2.4 netstat命令和pidof命令

netstat命令

netstat是一個用于顯示網(wǎng)絡(luò)連接、路由表和網(wǎng)絡(luò)接口信息的命令

netstat英文全稱：network statistics網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計

常用選項：

• -a：all (顯示所有連接和監(jiān)聽端口)
• -t：tcp (僅顯示TCP連接)
• -u：udp (僅顯示UDP連接)
• -n：numeric (以數(shù)字形式顯示IP地址和端口號)
• -p：program (顯示與連接關(guān)聯(lián)的進(jìn)程信息)
• -l：listen（僅列出有在 Listen (監(jiān)聽) 的服務(wù)狀態(tài)）
• -r：route (顯示路由表信息)
• -s：statistics (顯示網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計信息)

命令演示

查看TCP相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息時，一般選擇使用-nltp組合選項。

netstat -nltp

查看UDP相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息時，一般選擇使用-lnup組合選項。

netstat -lunp

pidof命令

pidof命令是一個用于查找正在運行的進(jìn)程的命令。它可以通過進(jìn)程名來查找與之匹配的進(jìn)程的進(jìn)程ID（PID），比較方便

語法： pidof [進(jìn)程名]
功能：通過進(jìn)程名，查看進(jìn)程id

命令演示

可以組合使用

pidof test | xargs kill -9

注：xargs是一個用于構(gòu)建和執(zhí)行命令行的實用程序。它從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取數(shù)據(jù)，并將其作為參數(shù)傳遞給指定的命令

2.2 UDP協(xié)議格式

UDP協(xié)議格式如下：

前8個字節(jié)是UDP的報頭，報頭包括：

• 16位源端口號：表示數(shù)據(jù)從哪里來。
• 16位目的端口號：表示數(shù)據(jù)要到哪里去。
• 16位UDP長度：表示整個數(shù)據(jù)報（UDP首部+UDP數(shù)據(jù)）的長度，即UDP的報文最大長度是64KB。
• 16位UDP檢驗和：如果UDP報文的檢驗和出錯，就會直接將報文丟棄。

數(shù)據(jù)部分（用戶數(shù)據(jù)）可有可無，數(shù)據(jù)部分就是有效載荷

UDP如何將報頭與有效載荷進(jìn)行分離？

UDP的報頭已經(jīng)規(guī)定大小，即UDP采用定長報頭，UDP在讀取報文時讀取完前8個字節(jié)后剩下的就都是有效載荷

UDP如何決定將有效載荷交付給上層的哪一個協(xié)議？

• UDP是通過報頭當(dāng)中的目的端口號來找到對應(yīng)的應(yīng)用層進(jìn)程的，即由目的端口號決定。
• 當(dāng)UDP數(shù)據(jù)報到達(dá)時，操作系統(tǒng)會根據(jù)目的端口號找到相應(yīng)的應(yīng)用程序或服務(wù)，并將數(shù)據(jù)報交付給它進(jìn)行處理

理解協(xié)議的報頭

Linux內(nèi)核是用C語言寫的，UDP/TCP協(xié)議處于內(nèi)核中，所以所謂的報頭就是一種結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)對象

比如UDP，下圖左邊是位段寫法

數(shù)據(jù)封裝：

以UDP為例，應(yīng)用層將數(shù)據(jù)交給傳輸層時，傳輸層會創(chuàng)建一個UDP報頭，并填充報頭中的各個字段，包括源端口號和目的端口號等信息。然后，操作系統(tǒng)會在內(nèi)核中開辟一塊空間，將UDP報頭和有效載荷（即應(yīng)用層數(shù)據(jù)）拷貝到一起，形成UDP報文

分用

以UDP為例，當(dāng)傳輸層從下層獲取到一個報文后，就會讀取該報文的前8個字節(jié)，提取出對應(yīng)的目的端口號。通過目的端口號找到對應(yīng)的上層應(yīng)用層進(jìn)程，然后將剩下的有效載荷向上交付給該應(yīng)用層進(jìn)程

2.3 UDP的特點

UDP傳輸?shù)倪^程就類似于寄信，其特點如下：

• 無連接：知道對端的IP和端口號就直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要建立連接。
• 不可靠：沒有確認(rèn)機制，沒有重傳機制；如果因為網(wǎng)絡(luò)故障該段無法發(fā)到對方，UDP協(xié)議層也不會給應(yīng)用層返回任何錯誤信息。
• 面向數(shù)據(jù)報：不能夠靈活的控制讀寫數(shù)據(jù)的次數(shù)和數(shù)量。

無連接，在套接字代碼已經(jīng)體現(xiàn)到了（與TCP相比），不解釋；不可靠學(xué)了TCP就懂了

下面解釋一下數(shù)據(jù)報

面向數(shù)據(jù)報

• 應(yīng)用層交付給UDP多長的報文，UDP就原樣發(fā)送，既不會拆分，也不會合并，這就叫做面向數(shù)據(jù)報。
• 可以想像成快遞：你朋友給你發(fā)了1個快遞，你就只能收1個快遞，你不能只收0.5個快遞，也不能收2個快遞，你只能收1個，即發(fā)多少就收多少。對比讀數(shù)據(jù)
• UDP發(fā)送的數(shù)據(jù)不能太大，UDP的報文最大長度是64KB（UDP首部+UDP數(shù)據(jù)）
• 如果超過 64KB了，必須進(jìn)行拆分，拆分的每個小數(shù)據(jù)都必需比64KB小，這個是應(yīng)用層寫代碼自己做的工作。如果超了，就發(fā)不了
• 比如用UDP傳輸100個字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送端調(diào)用一次發(fā)送函數(shù)，發(fā)送100字節(jié)，那么接收端也必須調(diào)用對應(yīng)的一次接收函數(shù)，接收100個字節(jié)；如果發(fā)送端調(diào)用十次發(fā)送函數(shù)，則接收端也必須調(diào)用對應(yīng)的十次接收函數(shù)，即UDP協(xié)議，發(fā)送函數(shù)的次數(shù) : 接收函數(shù)的次數(shù) = 1 : 1

2.4 UDP的緩沖區(qū)

• UDP沒有真正意義上的發(fā)送緩沖區(qū)。調(diào)用sendto會直接交給內(nèi)核，由內(nèi)核將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行后續(xù)的傳輸動作。
• UDP具有接收緩沖區(qū)。但是這個接收緩沖區(qū)不能保證收到的UDP報的順序和發(fā)送UDP報的順序一致；如果緩沖區(qū)滿了，再到達(dá)的UDP數(shù)據(jù)就會被丟棄。

緩沖區(qū)以TCP為例

發(fā)送接收數(shù)據(jù)：

• 發(fā)送函數(shù)（write等）在自己的應(yīng)用層有自己的應(yīng)用層發(fā)送緩沖區(qū)，調(diào)用發(fā)送函數(shù)實際上是把數(shù)據(jù)拷貝到傳輸層的發(fā)送緩沖區(qū)中
• 數(shù)據(jù)是否發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，由TCP協(xié)議自主決定，所以TCP協(xié)議稱為傳輸控制協(xié)議，關(guān)鍵字：傳輸控制
• 接收函數(shù)（read等）在自己的應(yīng)用層也有自己的應(yīng)用層接收緩沖區(qū)，調(diào)用接收函數(shù)實際上是把傳輸層接受緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)拷貝到自己應(yīng)用層接收緩沖區(qū)中
• 所以read、write、send、recv、sendto等函數(shù)本質(zhì)上是拷貝函數(shù)
• 一方在發(fā)送，另一方也在發(fā)送，雙方根本就不會影響，因為它們有成對的緩沖區(qū)，一個負(fù)責(zé)發(fā)送，一個負(fù)責(zé)接收，所以TCP是全雙工的
• 這對緩沖區(qū)有生產(chǎn)消費模型的思想，兼具該模型的優(yōu)點

為什么UDP沒有發(fā)送緩沖區(qū)

• 因為不需要，UDP協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是提供一種簡單的、無連接的通信方式。
• UDP協(xié)議的設(shè)計初衷是為了實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，盡量減少協(xié)議本身的開銷。
• UDP協(xié)議并不提供可靠性和流量控制的機制，因此不需要發(fā)送緩沖區(qū)
• 調(diào)用sendto會把數(shù)據(jù)直接交給內(nèi)核，由內(nèi)核將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行后續(xù)的傳輸動作。

為什么UDP要有接收緩沖區(qū)？

如果UDP沒有接收緩沖區(qū)，那么就要求上層及時將UDP獲取到的報文讀取上去，如果一個報文在UDP沒有被讀取，那么此時UDP從底層獲取上來的報文數(shù)據(jù)就會被迫丟棄。

注意：UDP接收緩沖區(qū)滿了，再來報文直接丟棄

UDP需要有接收緩沖區(qū)是為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸中的不可靠性和不確定性。

因為UDP本身是不可靠的，所以接收方可能會面臨以下情況：

• 數(shù)據(jù)到達(dá)的速度快于應(yīng)用程序的處理速度：如果接收方的應(yīng)用程序無法及時處理到達(dá)的數(shù)據(jù)報，那么接收緩沖區(qū)可以暫時存儲這些數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。
• 數(shù)據(jù)到達(dá)的順序可能不同于發(fā)送順序：由于UDP的無連接性，數(shù)據(jù)報可能以不同的順序到達(dá)接收方。接收緩沖區(qū)可以暫時存儲這些亂序的數(shù)據(jù)報，并按照應(yīng)用程序的需要進(jìn)行排序和組裝。
• 網(wǎng)絡(luò)擁塞或丟包：在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，可能會發(fā)生丟包或擁塞的情況。接收緩沖區(qū)可以緩沖部分?jǐn)?shù)據(jù)，以便在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后重新接收丟失的數(shù)據(jù)。

雖然UDP沒有發(fā)送緩沖區(qū)，但是UDP的socket既能讀，也能寫，所以也是全雙工

2.5 UDP注意事項

上面已經(jīng)談過了

• 需要注意的是，UDP協(xié)議報頭當(dāng)中的UDP最大長度是16位的，因此一個UDP報文的最大長度是64K（包含UDP報頭的大?。?/li>
• 然而64K在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，是一個非常小的數(shù)字。如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過64K，就需要在應(yīng)用層進(jìn)行手動分包，多次發(fā)送，并在接收端進(jìn)行手動拼裝。

2.6 基于UDP的應(yīng)用層協(xié)議

• NFS：網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。
• TFTP：簡單文件傳輸協(xié)議。
• DHCP：動態(tài)主機配置協(xié)議。
• BOOTP：啟動協(xié)議（用于無盤設(shè)備啟動）。
• DNS：域名解析協(xié)議。

--------------------- END ----------------------文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-580858.html

「 作者 」 楓葉先生
「 更新 」 2023.7.18
「 聲明 」 余之才疏學(xué)淺，故所撰文疏漏難免，
          或有謬誤或不準(zhǔn)確之處，敬請讀者批評指正。

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