UDP协议揭秘：无连接通信的奥秘

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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);

bind端口号

数据传输后实际上是OS要交给目的主机上的一个特定的进程，那么报文是怎么根据端口号交付给特定的进程呢?

• 在我们调用bind来绑定端口的时候，注意：不同的OS实现不同，OS会维护一个哈希表，哈希表的键值key就是端口号，如图，对应的端口号会映射一个进程的PCB，就和指定的进程关联起来了，所以找到对应的端口号，就能找到对应的进程那个，就能找到进程的PCB，给进程发送数据，也能从进程中拿到数据等等；

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.

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
cat /etc/services
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。

  • 在TCP/IP协议栈中，每个端口号在同一时间只能被一个进程（或更具体地说，一个套接字）绑定到特定的IP地址上。这是因为端口号的主要用途是区分同一IP地址上的不同服务或应用程序。如果多个进程尝试绑定到同一个端口号，操作系统通常会抛出一个错误，指出端口已被占用。

UDP 协议

UDP 协议端格式

• 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;

该协议实际上就是一个结构体对象，添加报文实际上就是将已经填充好得结构体对象拷贝到报文最开始，就完成了封装，Linux内核中，结构体如图：

该协议怎么解决报头和有效载荷分离和交付得问题

• 分离：该UDP报文中有一个UDP长度，是报头加数据的长度，其中报头的大小时确定得，为8字节，所以数据的大小也确定了，就可以分离了。
• 交付：根据目的端口号向上交付即可。

UDP 的特点

特性不能当缺点来理解。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;
• 比如用 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 2^16 = 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;

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