Linux网络:UDP

1. 传输层

在tcp/ip协议栈中，应用层之下是传输层。

传输层中的很多行为都是内核帮我们完成，但是用户程序中也要调用一些接口进行设置。

传输层的协议有两个:UDP和TCP。

本篇博客中介绍UDP.

2. 端口

端口本质上是一个unsigned short类型的无符号短整数，范围是0~65535。
在tcp/ip协议中，端口号作为源IP,源端口，目的IP，目的端口，协议号中的重要组成部分，共同标识一个通信。

IP用于定位具体的机器，而端口用于定位到这台机器上的具体进程。

关于进程和端口的关系，一般来说，一个进程可以绑定多个端口，但是一个端口只能被一个进程绑定,对于后者，在没有对socket进行额外设置时，是正确的，但如果设置了某些属性，情况会有所不同。

自己的程序有些端口号是不能绑定的，通常内核也不会允许我们绑定，这些端口号是知名端口号，对应了一些知名应用层协议——即使用这些协议访问服务器时，访问的服务器端口号已经确定了。

3. UDP

3.1 UDP报文

上图是UDP的报文结构。
其中，源端口号和目的端口号，这些不必多说。

16位UDP长度表示整个UDP报文的长度，可见，UDP报文的最大长度是65535字节，这个长度包括报头(报头总共8字节)和有效载荷，如果超过这个长度，那么对于有效载荷，就需要在应用层手动分包。

16位UDP检验和，这个数据可用于验证该UDP报文在网络传输的过程中，内容是否发生更改。
检验和有其自身计算逻辑，发送端在发送时计算一次，接收端在接收时计算一次，二者进行比对，即可确认内容是否改变。

3.2 UDP特点

UDP网络通信有三个最大特点：无连接，不可靠，面向数据报。

什么是无连接呢？
相对于TCP，UDP网络通信，通信双方完全没有建立连接的机制，即便UDP使用connect，本质上无连接，只不过将对端IP和端口记录到内核中，后续通信接口由使用sendto/recvfrom，改为使用send/recv罢了。

什么是不可靠呢？
UDP网络通信没有确认应答机制，即接收端是否正常受到UDP报文，发送端是无法得知的。
UDP网络通信没有超时重传机制，用户层写入的发送数据，封装为UDP报文后，永远只会发送一次。
同时，UDP通信中，由于实际网络问题，先发送的UDP报文，可能后到达，而UDP内核中并不会维护这个顺序，谁先到就都谁，而实际上这个信息可能是后发的，并不是最先应该读取的信息。
而由于UDP是无连接，不维护连接状态，所以即便通信的一方彻底关闭，另一方也不会有任何感知，读写行为仍照旧，只不过此时通信已没有任何意义。

什么是面向数据报呢？
面向数据报是指UDP报文有明确的数据边界。TCP报文是字节流传输的，一次写入的数据可能被分批发送，也可能和一些其它数据一起发送，读取时，可能一次性无法读到完整数据，需要多次读取。 但UDP不一样，UDP报文发送，要么完整，要么不发送；UDP报文读取，要么不读，读就读到完整的UDP报文。

因此，UDP报文明确的数据边界，使得UDP网络通信时，不需要在用户层处理粘包问题。

3.3 UDP应用场景

性质决定用途，UDP无连接，不可靠，面向数据报的性质，使得UDP的应用场景如何呢？

UDP不用维护连接，网络通信不可靠，即不需要维护超时重传，确认应答等各种复杂机制，这就使得UDP在不考虑通信质量的情况下，通信效率是非常高的。

因此，对于那些对通信效率要求高，即实时性要求高，而允许一定程度的通信数据丢失场景下，UDP应用非常多，比如实时视频通话，或者网络直播等等。

除了上述场景外，在简单的网络通信场景中，比如DNS域名解析场景，总共就一问一答，非常简单，使用UDP即可，不必使用TCP，否则反倒因为TCP复杂机制，带来不必要的额外消耗。

3.4 Linux UDP接口

网络通信接口使用分为客户端和服务端。

客户端:

1. 使用socket创建用于通信的网络套接字，返回相应文件描述符。

int fd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//指定协议号为0,让内核自动判别即可

2. 客户端一般不显式绑定，而是在sendto发送数据时，由内核完成绑定。
3. 使用sendto进行数据发送。

size_t n = sendto(fd,buffer,len,0,(struct sockaddr*)dest_addr,addrlen);//一般flag标志位给0即可,取默认情况

4. 使用recvfrom进行数据接收。

size_t n = recvfrom(fd,buffer,len,0,(struct sockaddr*)src_addr,&addrlen);//注意这里的addrlen是取地址,因为要实际拿到写入src_addr的字节数

服务端:

1. 使用socket创建网络套接字进行通信，与客户端相同。
2. 服务端必须使用bind显式绑定。

int ret = bind(sockfd,addr,addrlen)

那么在第二个参数，即类型为struct sockaddr这个结构体中，我们需要手动填入什么呢？
在网络通信中，实际使用的是struct sockaddr_in这个类型，传参时需要做类型转化。
在这个结构体中，我们需要初始化三个变量：sin_family初始化为AF_INET,表示是网络通信，使用IpV4;sin_addr对应的是ip地址，需要使用相关接口进行主机字节序到网络大端字节序的转换；sin_port对应的是具体端口，与ip地址相同，需用相关接口完成字节序的转换。

3. 服务端使用recvfrom接收数据，接口和参数均同上。
4. 服务端使用sendto发送数据，接口和参数也同上。
   服务端使用sendto发送数据时，可能会有疑惑：服务端如何知道客户端的IP+PORT呢？这本质上是逻辑顺序的问题。因为，客户端和服务端之间的通信，通常都是客户端已知服务端IP+PORT，然后客户端先给服务端发信息，此时服务端通过recvfrom的相关参数，即可得到客户端地址，然后再向此地址客户端发送消息，而客户端虽然未主动bind，但在sendto中，已经由内核自动bind，因此也能正常接收服务端消息。自此，双端通信的逻辑就是完善的。