【Linux笔记】网络部分——传输层协议UDP

39.传输层协议UDP

从学习网络开始，大部分时间都在编写代码，包括重写TCP套接字、多进程、多线程池、自定义协议、远程命令执行、聊天功能、自定义HTTP协议、序列化和反序列化等。目前上层与原理相关的理论已经讲完，接下来要解决两个问题：网络底层原理和服务器的设计。

回顾端口号

在网络基础部分，我们了解到端⼝号(Port)标识了⼀个主机上进⾏通信的不同的应⽤程序，UDP服务有客户端和服务端，都需要绑定端口号。服务器上部署了各种不同的服务，每个服务绑定特定端口号，如HTTP 80端口、SSH 22端口等。从网络收到报文时，需要根据端口号决定交给哪个应用程序。UDP报头包含端口号，用于数据转发。。

• 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);

• 端口号0-1023是知名端口号，如HTTP 80、HTTPS 443、SSH 22，必须与特定服务绑定。1024-65535是操作系统动态分配的端口号，由客户端随机分配

• 一个进程可以绑定多个端口号，但一个端口号不能被多个进程绑定。类似于管道，一个进程可以打开多个管道，但一个管道只有一个读端和一个写端。

UDP协议的特点

UDP协议位于网络传输层，负责将数据从发送端转发到接收端，不考虑连接问题。

UDP客户端直接向服务端发送消息，不需要考虑粘包和字节流问题，操作系统知道报文长度。

UDP协议端格式

UDP协议的格式包括16位源端口号、16位目的端口号、16位UDP长度和16位校验和总共8个字节，剩余部分是数据即有效载荷。

• 应用层端口号是两字节因为UDP协议中端口号是16位的。
• 16位UDP长度是整个UDP报文的长度，数据大小需要再减去报头的8个字节
• UDP不保证可靠性但保证数据合法性，使用16位校验和验证报文，失败则丢弃。

UDP报头中的自描述字段可以描述有效载荷长度，确保读取完整报文。

在网络基础我们提到，一份数据在网络中转发最重要的两个问题就是：协议是如何解包的？协议是如何分用的？

• UDP解包过程是读取前八个字节作为报头，剩余部分作为有效载荷。UDP报文解包和分用相对简单，因为报头长度固定。UDP通过固定报头长度和16位UDP长度字段保证报文完整性，可以准确读取完整报文。接收方可以连续读取多个UDP报文，根据报头中的长度字段准确分离报文
• 分用过程是根据16位目的端口号查找关联进程并转发报文。

与TCP不同，UDP在创建套接字后可以直接进行收发操作，不需要像TCP那样需要先建立连接。UDP是面向数据报的协议，这意味着每个报文都是独立的，不需要像TCP那样需要应用层处理报文的完整性。UDP的不可靠性体现在没有确认机制、重传机制，数据包丢失时不会报告给上层或对方。

UDP协议头结构体实现

UDP协议本质上是C语言的结构体。UDP协议头包含16位无符号源端口、目的端口、长度和校验和字段。这些字段在C语言中表示为u16无符号16位整数。UDP协议头结构体在代码中被称为udp_hdr。结构体中的字段对应UDP协议格式中的各个部分：源端口、目的端口、长度和校验和。这种结构体实现方式与操作系统内核使用C语言编写协议的特点一致。

下图为Linux 2.6.18内核中有关udp字段的源码：

UDP协议的全双工特性及缓冲区问题

UDP协议具有全双工特性，可以在接收消息的同时发送消息。UDP协议的文件描述符可以被一个线程读取，另一个线程写入。UDP协议具有接收缓冲区，用于暂时缓存收到的数据，但接收缓冲区不能保证报文的顺序与发送顺序一致。UDP协议不保证报文的按序到达，这与TCP协议不同。UDP协议的接收缓冲区在写满后会丢弃新收到的报文。UDP协议没有真正意义上的发送缓冲区，因为它不保证可靠性，应用层将报文交给UDP后，操作系统会直接将其交给下一层进行发送。UDP协议不需要像TCP协议那样进行流量控制、拥塞控制、丢包重传等可靠性保证措施。UDP协议的接收缓冲区由sk buff构成的链表队列管理，这种结构在操作系统内部用于管理报文。UDP协议的全双工特性不受发送缓冲区缺失的影响。

UDP协议的运用

UDP协议在直播和视频领域应用较多，因为UDP协议简单，报文分发容易。直播应用客户端在底层可以选择UDP协议或TCP协议。UDP协议在传输过程中可能会出现偶尔性的丢失，导致画面抖动、局部不清晰、马赛克或色块等问题，但这些是可以接受的。UDP协议不会对报文进行拆分或合并，发送端发送多少次，接收端就会接收多少次。发送和接收的次数一致，前提是没有丢包。UDP协议面向数据报，而TCP协议面向字节流。UDP协议在传输100个字节数据时，发送端调用一次性能处发送100个字节，服务器端也会调用一次recvfrom接收100个字节。如果接收端需要分十次读取，每次读取十个字节，就需要调用十次recvfrom。UDP协议的传输特点是发送和接收的次数一致，而TCP协议则可能发送一次，接收多次，或者发送多次，接收一次。UDP协议的这种特性使其在直播和视频领域具有优势，尽管存在丢包的可能性，但在这些场景下是可以接受的。

总结

UDP协议的简单特性和在特定场景下的应用已经进行了详细说明，包括其在直播和视频领域的优势、全双工特性、缓冲区问题以及报文长度限制等。这些内容为后续讨论TCP协议奠定了基础。UDP协议虽然在某些场景下表现优异，但在需要高可靠性的场景下，TCP协议更为适合。接下来将重点讨论TCP协议的特性和应用。