【Linux网络编程】传输层协议-----UDP协议

一、前置知识了解：

1、传输层意义：

应用层的协议并不是简单地将请求和响应直接发送到网络中的，而是将数据通过网络协议栈自顶向下进行传输，通过传输层，网络层，数据链路层，最后通过硬件在网络中进行通信的

在之前的学习中，HTTP/HTTPS这些应用层协议是保证数据安全的，而现在所学的传输层是了保证数据能够可靠地传送到目标地址

2、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

当一台主机接受到了数据，然后从下往上依次传输，但是这个数据应该是给哪个进程的，就由数据中的目的端口号来决定，这个操作是在传输层进行的，在传输层会提取出数据中的端口号，然后将数据给对应进程

端口号划分：
端口号的长度是16位，因此端口号的范围是0 ~ 65535：
0 ~ 1023：知名端口号。比如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
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

一个端口号是否可以被多个进程绑定？
一个端口号绝对不能被多个进程绑定，因为端口号的作用就是唯一标识一个进程，如果绑定一个已经被绑定的端口号，就会出现绑定失败的问题
一个进程是否可以绑定多个端口号？
一个进程是可以绑定多个端口号的，这与“端口号必须唯一标识一个进程”是不冲突的，只不过现在这多个端口唯一标识的是同一个进程罢了
我们限制的是从端口号到进程的唯一性，而没有要求从进程到端口号也必须满足唯一性，因此一个进程是可以绑定多个端口号的

3、五元组标识一个通信：

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

4、netstat

其作用是：查看网络状态
选项：

• n：拒绝显示别名，能显示数字的全部转换成数字
• l：仅列出处于LISTEN（监听）状态的服务
• p：显示建立相关链接的程序名
• t(tcp)：仅显示tcp相关的选项
• u(udp)：仅显示udp相关的选项
• a(all)：显示所有的选项，默认不显示LISTEN相关

5、pidof：

通过进程名来查看服务器进程的 pid

二、UDP协议：

1、UDP协议格式：

对于UDP来说，无论发多大的数据，报头的大小是固定的，所以对UDP来说，将报头和有效载荷进行分离只需拿走前8个字节即可

报头解析：

源端口和目的端口：

当我们从一台主机向另一台主机发送你好的时候，你好就是UDP协议中的数据，然后操作系统就会自动给我们的数据添加报头，源端口就是发送方的端口号， 目的端口就是目标主机的端口号

客户端怎么知道源端口和目的端口的呢？
源端口号：对于客户端的端口号来说，这是随机的，在启动客户端的进程的时候，操作系统会从主机中空余的端口号随机一个进行使用
目的端口号：目的端口号，也就是服务端的端口号，服务端的端口号一般是不变的，并且同一个应用的客户端和服务端开发也是同一个团队，所以也就会知道服务端的端口号，它会在编写的时候就内置在客户端中，当客户端进行connect的时候，链接的就是这个内置的端口号

服务端怎么知道源端口和目的端口的呢？
客户端在发送数据前，会通过操作系统的套接字（Socket）接口创建连接,此时，操作系统会为客户端随机分配一个源端口号，并将其与用户指定的目的端口号（即服务端监听的端口）一起，封装到 TCP 报文的首部中，当服务端的传输层拿到报文后，进行报文和有效载荷分离，这样就能够拿到客户端封装在报文中的源端口和目的端口了

UDP长度和UDP检验和：

UDP长度：表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的长度，起作用是帮助我们知道当前数据是一个完整的报文，有了整个报文的长度， 有效载荷的长度直接使用报文长度减去8字节就行了

UDP检验和：UDP报文的检验和出错，就会直接将报文丢弃

如何理解报头：

Linux操作系统是通过C语言写的，对于协议来说，可以把它看作是一种约定，所以这就是一种C语言版本的struct结构体的位段类型（不是结构体）

位段和结构体

特性	结构体（Struct）	位段（Bit Field）
内存分配	按字节 / 类型分配，可能有对齐	按位分配，成员可共享字节
内存效率	较低（可能有浪费）	较高（适合小数据）
适用场景	一般数据存储，注重直观性	节省内存场景（如标志、寄存器）
访问限制	无特殊限制，可取地址	不可取地址，跨平台兼容性差

struct udp_header
{uint32_t src_port:16;uint32_t dst_port:16;uint32_t length:16;uint32_t check_code:16;
};

既然是类型,那么就可以定义变量，那么以后我们定义udp报头，其实就是创建一个这个类型的变量

2、面向数据报

应用层交给UDP多长的报文，UDP就原样发送，既不会拆分，也不会合并，这就叫做面向数据报

别人发了三个快递，那么我们就一定要收到三个，不会出现只收到一个，一个半这样的情况。如果只有一个包裹，那我们也不能只拿走一半

如果发送端调用一次sendto， 发送100字节， 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom， 接收100字节；而不能循环十次调用recvfrom， 每次接受10字节

结论：发送了一个报文，要么不读，要么 recvfrom 等到读取完一整个报文再返回

3、UDP缓冲区：

UDP没有真正意义上的发送缓冲区，因为它没有可靠机制，不需要把数据暂存起来，它直接调用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，因此UDP是全双工的

为什么UDP要有接收缓冲区：
临时存储已到达但尚未被应用程序读取的 UDP 数据包，相当于 “临时仓库”，让应用程序可以按照自己的节奏从缓冲区中读取数据，避免因处理速度不足导致的数据包丢失
如果 UDP 没有接收缓冲区，那么就要求上层及时将 UDP 获取到的报文读取上去，如果一个报文在 UDP 没有被读取，那么此时 UDP 从底层获取上来的报文数据就会被迫丢弃