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【Linux-传输层协议UDP】再谈端口号+UDP协议+深度理解UDP

news 来源：原创 2025/6/8 2:13:00

前沿

传输层

负责数据能够从发送端传输接收端

再谈端口号

端口号（Port）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）；

端口号范围划分

端口号是一个 16 位的整数，它的取值范围是 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，允许用户手动绑定。

认识知名端口号

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

执行下面的命令，可以看到知名端口号

我们自己写一个程序使用端口号时，要避开这些知名端口号

两个问题

一个进程是否可以bind多个端口号？--》可以

一个端口号是否可以被多个进程bind---〉不可以

UDP协议

UDP协议端格式

思考：如何将报头和有效载荷进行分离（封装）？如何将有效载荷进行分用

16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度
如果校验和出错，就会直接丢弃

UDP的特点

UDP 传输的过程类似于寄信.

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；

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；

用 UDP 传输 100个字节的数据：

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；

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；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，这个概念叫做 全双工

UDP 使用注意事项

我们注意到，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；

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

当然，也包括你自己写UDP 程序时自定义的应用层协议；

深刻理解UDP

1.UDP报头

操作系统内可能同时存在大量的报文，有的报文正在被向上交付，有的报文正在被向下交付；这么多的报文，所以操作系统要对报文进行各种管理--->先描述，在组织

struct udphdr 是C语言中用于描述UDP（用户数据报协议）头部的一个结构体。UDP是OSI模型中的传输层协议，它提供了无连接的数据包传送服务。以下是 struct udphdr 的一个典型定义，通常在Linux系统的头文件 <netinet/udp.h> 中可以找到：

struct udphdr {
    uint16_t source;  /* 源端口号 */
    uint16_t dest;    /* 目的端口号 */
    uint16_t len;     /* UDP数据报长度 */
    uint16_t check;   /* 校验和 */
};

2.对报文的理解

UDP封装的过程，首先我们知道协议栈有四层：应用层，传输层，网络层，数据链路层；从应用层到传输层需要对数据进行封装，那么UDP是如何一层层封装的呢

首先我们需要认识一个数据结构struct sk_buff

struct sk_buff 是Linux内核网络子系统中的一个核心数据结构，它用于表示网络层的数据包缓冲区。sk_buff 代表一个 “socket buffer”，它包含了内核处理网络数据包所需的所有信息，包括网络层和传输层头部、数据负载、元数据以及用于管理缓冲区的各种指针。

以下是 struct sk_buff 的简化版本，用于展示其主要字段：

struct sk_buff {
    // 指向skb_shared_info结构的指针，该结构包含了数据包共享信息
    struct skb_shared_info *shinfo;

    // 指向skb_memo结构的指针，该结构用于存储skb的元数据
    struct skb_memo *memo;

    // 指向skb对应的网络设备结构的指针
    struct net_device *dev;

    // 指向skb所属的套接字的指针
    struct sock *sk;

    // 指向skb的传输控制块的指针
    struct sk_buff *next;
    struct sk_buff *prev;

    // 指向skb的数据缓冲区的指针
    unsigned char *head;
    unsigned char *data;
    unsigned char *tail;
    unsigned char *end;

    // skb的长度
    unsigned int len;
    unsigned int data_len;

    // skb的类型
    unsigned int type;

    // skb的协议
    __be16 protocol;

    // skb的标记
    __u32 mark;

    // skb的hash值
    __u32 hash;

    // skb的优先级
    __u32 priority;

    // 其他字段...
};

字段名	类型	描述
shinfo	指针（`struct skb_shared_info*`）	指向skb_shared_info结构，包含数据包的共享信息，如片段信息和引用计数。
dev	指针（`struct net_device*`）	指向发送或接收此数据包的网络设备结构。
sk	指针（`struct sock*`）	指向数据包所属的套接字结构。
head	指针（`unsigned char*`）	指向数据包缓冲区的开始。
data	指针（`unsigned char*`）	指向数据包中数据的开始。
tail	指针（`unsigned char*`）	指向数据包中数据的末尾。
end	指针（`unsigned char*`）	指向数据包缓冲区的末尾。
len	`unsigned int`	数据包的总长度（包括所有头部）。
data_len	`unsigned int`	数据部分的长度（不包括头部）。
type	`unsigned char`	数据包的类型，用于内核处理。
protocol	`__be16`	数据包的协议字段，通常是IP层头部中的协议字段。
mark	`unsigned int`	数据包的标记，用于QoS和其他目的。
hash	`unsigned int`	数据包的哈希值，用于快速查找。

UDP（用户数据报协议）报文的封装过程涉及到在传输层将数据打包成UDP数据报，并将其传递给网络层以发送到目的地

以下是将UDP报文封装过程：

阶段	操作	描述
应用层	发送数据	应用程序通过UDP套接字发送数据。
传输层	创建UDP头部	内核创建一个UDP头部（`struct udphdr`）。
传输层	填充UDP头部	源端口、目的端口、长度和校验和字段被填充。
传输层	创建skb缓冲区	内核创建一个skb缓冲区（`struct sk_buff`）来管理数据。
传输层	附加数据到skb	应用程序数据被附加到skb缓冲区的数据部分。
传输层	计算校验和	如果启用了校验和，则计算UDP伪头部、头部和数据。
网络层	添加IP头部	skb缓冲区被传递给网络层，并添加IP头部（`struct iphdr`）。
网络层	填充IP头部	源IP地址、目的IP地址、协议类型（17表示UDP）等被填充。
链路层	添加链路层头部	skb缓冲区被传递给链路层，并添加链路层头部（例如以太网头部）。
链路层	填充链路层头部	目的MAC地址、源MAC地址和类型（对于IP数据包是0x0800）等被填充。
发送	发送数据包	最终的数据包（包含链路层、IP层和UDP层头部）被发送到网络。

应用数据
+-------------------+
|                   |
|     应用数据      |
|                   |
+-------------------+
       |
       | (通过UDP套接字发送)
       v
UDP头部 (struct udphdr)
+-------------------+
| 源端口 | 目的端口 | 长度 | 校验和 |
+-------------------+
       |
       | (skb缓冲区管理)
       v
IP头部 (struct iphdr)
+-------------------+
| 版本 | 头部长度 | 服务类型 | 总长度 |
| 标识 | 标志 | 片偏移 | 生存时间 |
| 协议 | 校验和 | 源IP地址 | 目的IP地址 |
+-------------------+
       |
       | (网络层处理)
       v
链路层头部 (例如以太网头部)
+-------------------+
| 目的MAC | 源MAC | 类型 |
+-------------------+
       |
       | (发送到网络)
       v