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【Linux网络编程】传输层协议 - UDP

news 2025/7/26 9:06:21

传输层

UDP协议

UDP协议端格式

UDP的特点

面向数据报

UDP的缓冲区

UDP的注意事项

基于UDP的应用层协议

传输层

传输层是负责将数据从发送端转发到接收端的。传输层及以下都是属于操作系统的。

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。当协议栈接收到报文之后，一定要能够将报文发给上一层，从传输层交给应用层时，传输层报头中就会有对应服务的端口号，根据端口号即可将报文交给指定的服务。

上图理解为HTTP服务是多进程的。客户端发送请求后，服务器接收到请求后，是需要发送应答的，发送应答就一定需要知道客户端的IP地址和端口号，这是服务器通过recvfrom得到的。所以，通过服务器的IP地址和端口号、客户端的IP地址和端口号，即可标识一对通信。

实际上，在应用层获取到的IP地址是记录在IP报文的首部的，端口号是记录在TCP/UDP报文的首部的。并且在报文当中，是会含有传输层所采用的协议的字段的。所以现在可以使用一个五元组标识一对通信，源IP地址、目标IP地址、源端口号、目标端口号、传输层所采用的协议。

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
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

Linux中，有一个配置文件记录了网络服务中常见的端口号：/etc/services

1. 一个进程是否可以绑定多个端口号？

可以，甚至可以既绑定TCP的端口号，又绑定UDP的端口号。

2. 一个端口号是否可以被多个进程绑定？

不能。因为需要根据端口号区分进程。

UDP协议

UDP是不考虑连接的，只要套接字创建好了，就可以直接发送消息。因为UDP面向数据报的，所以是不需要考虑粘包问题和字节流问题的，UDP的报文长度在内核中OS是知道的。

UDP协议端格式

struct udphdr {__be16  source;     // 源端口号（16位，大端字节序）__be16  dest;       // 目标端口号（16位，大端字节序）__be16  len;        // UDP数据报长度（头部+数据，单位：字节）__be16  check;      // 校验和（覆盖头部和数据，可选）
};

传输层及以下，都是属于OS的，所以在这里面的协议都是结构体。在OS中，与应用层是不同的。在OS中可以直接传输结构化数据，是二进制传输的，不需要进行序列与反序列化。因为对于OS而言，效率更重要。添加报头的本质就是定义一个结构体对象，然后将这个结构体对象与上层的报文的拷贝合并起来。

上面的图片就是一个UDP报文，前8个字节就是UDP报头，后面的数据就是有效载荷。

我们来看几个问题：

1. UDP是如何解包的？

因为UDP的报头是固定长度的，8字节。直接读取UDP报文的前8个字节，将剩下的有效载荷交给上层即可。

2. UDP是如何做到分用的？

UDP的报头中有一个目的端口号。而UDP服务器绑定过端口号，就会使用报头中的端口号进行匹配。就能够找到对应进程了，再将有效载荷交给这个进程即可。之前说端口号最大是65536，因为一个端口号只有16位。这是由协议决定的。

3. UDP是面向数据报的，如果有多个UDP报文粘在在一起了，怎么确保准确读完有效载荷呢？

报头中还有16位的UDP长度。这表示的是整个UDP报文的长度，单位是字节，减去8即可得到有效载荷的长度。

虽然UDP不保证可靠性，即报文丢了就丢了。但是UDP会保证交给上层的数据是合法、可靠的。所以会有一个16位的UDP校验和。用来对整个UDP报文做校验，校验失败了直接丢弃，校验成功了才向上层交付。

报头中有有效载荷的长度，这在我们之前自己实现的网络版计算器和HTTP协议中都有使用。像这种在报头中会描述自己有效载荷的字段，称为协议中的自描述字段。

4. UDP是如何进行封装的？

当我们调用sendto将应用层的报文发送到传输层时。UDP中为了能够对应用层发送过来的报文进行封装，就需要有一段缓冲区。当应用层发送报文时，实际上就是将报文拷贝到了缓冲区里面。而在OS中，发送报文的同时可能也在接收报文，所以oS就需要对这些报文进行管理。每一个报文就是一个sk_buff，sk_buf是一个报文的管理结构，里面会包含很多字段，其中就有指向应用层发送过来的报文的指针。当应用层刚将报文发送给传输层时，会将这个报文拷贝到传输层对应的缓冲区中台，一个指针end指向拷贝过来的报文的结束。

到达传输层的报文是需要添加UDP报头的，也就是进行封装，怎么添加UDP报头呢？

head -= sizeof(struct udphdr)
填写UDP报头
(struct udphdr*)head -> source = 8080;
(struct udphdr*)head -> dest = 9090;
...

这就是UDP封装。要将添加了UDP报头的数据发送给下一层要怎么发送呢？
只需要将sk_buff链入到网络层的相应管理结构中，这样带着数据就下去了。并不会将传输层缓冲区内的报文拷贝到网络层缓冲区当中，因为只要通过指针即可访问。

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。

这里的可靠与不可靠不是优缺点，而是特性。因为有的情况下对可靠性的要求并不那么高。TCP是可靠的，为了保证可靠性，它就要做更多的工作。不可靠说明这个协议本身比较简单一些。

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。发送一次，接收方的应用层读取UDP报文时，一次就必须读完一整个UDP报文。TCP则是发一次，可能需要接收多次才能接收完。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。