【Linux网络与网络编程】08.传输层协议 UDP

传输层协议负责将数据从发送端传输到接收端。

一、再谈端口号

端口号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)。

1.1 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。

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

在linux下我们可以通过 cat /etc/services 来查看知名端口号。在我们自己写程序使用端口号时要避开这些知名端口号。

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。

二、UDP协议

协议就是一种约定，协议本质就是通信双方约定好的格式化字段，因此协议就是struct或者class定义的结构。操作系统中的UDP和TCP这些传输层协议及它们以下的协议在操作系统中就是纯C的结构体，但是操作系统出于效率的考量，它选择了在代码里直接传输二进制的结构体对象，可以理解为没有进行序列化与反序列化，也可以理解为直接以二进制的方式做的序列化和反序列化。添加报头实际上就是定义了一个新的struct的结构体对象，然后把上一层的结构体对象与我们这一层的报头合并起来。

2.1 UDP协议格式

UDP是如何解包，如何分用的呢？

UDP在解包时直接读取前八个字节即它的报头，剩下的部分就是有效载荷。而后通过16位的目的端口号分用的。

UDP是如何保证报文完整性的？

固定的报头长度+16位UDP长度（用于标识有效载荷和报头长度），再通过UDP16位校验和进行校验，成功则向应用层交付报文，失败就要丢弃掉。

我们注意到，在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。 

下面是在Linux中的UDP结构： 

struct udphdr 
{
	__u16	source;
	__u16	dest;
	__u16	len;
	__u16	check;
};

 2.2 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，也没有重传机制。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。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。

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；缓冲区满了之后到达的 UDP 数据会被丢弃。

UDP 的 socket 既能读也能写，这个概念叫做 全双工。

2.4 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

• 自定义的基于UDP的应用层协议