【Linux 29】传输层协议 - UDP

🌈 一、端口号概念

⭐ 1. 端口号的作用

• 端口号 port 用来标识一个主机上进行网络通信的唯一的一个进程。
• 端口号属于传输层的概念，在传输层协议的报头中会添加与端口号相关的字段。
• 当主机从网络上获取到数据后，需要自底向上进行数据的交付，而这个数据最终应该交给上层的哪个应用处理程序 (进程)，则由该数据当中携带的端口号来决定。
• 将从网络中获取到的数据向上交付时，在传输层会提取出该数据所对应的目的端口号，从而确定该数据应该交给当前主机中的哪一个服务进程。

⭐ 2. 使用五元组唯一标识一个通信

• 在 TCP / IP 协议中，使用 { 源 IP地址，源端口号，目的 IP 地址，目的端口号，协议号 } 这样的五元组来唯一标识一个通信。
• 当多台客户端主机同时访问服务器时，这些客户端主机上又可能存在着 n 个客户端进程，这些进程都在访问同一台服务器。

• 服务器就是通过五元组来识别一个通信，服务器会分别提取出五元组的某部分内容进行识别，识别过程如下：
  1. 提取 目的 IP 地址 和 目的端口号，判断该数据是否是发送给当前服务进程。
  2. 提取 协议号，为该数据提供该协议号所对应的协议服务。
  3. 提取 源 IP 地址 和 源端口号，将其作为响应数据的 目的 IP 地址和 目的端口号，将响应结果返回给对端主机。

⭐ 3. 协议号 VS 端口号

• 协议号：存在于 IP 报头中，长度为 8 位，作用于传输层和网络层之间。标识了数据包所携带的数据使用的是什么协议，以便于让目的主机的 IP 层知道应该将该数据交给传输层的哪个协议处理。
• 端口号：存在于 UDP 和 TCP 报头中，长度为 16 位，作用于应用层和传输层之间。用于唯一的标识主机上的一个进程。

⭐ 4. 知名端口号

• 某些服务器由于非常常用，为了使用方便，它们的端口号一般都是固定的。
• 客户端在访问时可以不知道这些知名服务器的端口号，在访问某个服务时直接自动添加上对应端口号。
  • 例：在访问 SSH 服务时，客户端会自动加上 22 号端口，客户端相信 SSH 的端口号一定是 22。
• 在编写需要使用到端口号的程序时，应避免绑定这些知名端口号 (一般也不让绑)。

知名服务器	所使用的端口号
SSH 服务器	22 号端口
FTP 服务器	21 号端口
TELENT 服务器	23 号端口
HTTP 服务器	80 号端口
HTTPS 服务器	443 号端口

查看知名端口号

• 可以通过查看/etc/services 文件中的内容查看知名端口号。
• 该文件中存储的是网络服务名和与他们对应使用的端口号及协议。
• 该文件中的每一行都对应着一种服务，每行有 4 个字段，分别表示：
  • 服务名称 、该服务所用的端口号、协议名称、别名。

⭐ 5. 端口号与进程的关系

1. 一个进程可以绑定多个端口号，这些端口号都能唯一标识一个进程。
2. 一个端口号绝对不能被多个进程绑定，如果这么做了，端口号就不能唯一的标识一个进程。

通过哈希表维护端口号与进程的关系

• 在操作系统内部维护着一张用来维护端口号与进程 PCB 关系的哈希表。
• 在这张哈希表中，key 是 端口号，value 是进程 PCB 所对应的地址。通过端口号就可以找到对应进程 PCB 的地址。
• 所谓的绑定 (bind) 就是将端口号与进程 PCB 的地址构建在这张哈希表中。
• 端口号作为唯一的 key 值，它是不能被多个进程绑定的。
  • 一个 key 只能有一个 value，而一个 value 可以作为多个 key 的 value。

⭐ 6. netstat 查看网络状态

• netstat 指令用于查看网络状态

netstat -选项

1. netstat 指令的常见选项

选项	说明
n	拒绝显示别名，将能用数字显示的全部转换成数字
l	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	显示 tcp 相关的选项
u	显示 udp 相关的选项
a	显示所有选项，默认不显示 LISTEN 相关

2. 查看 TCP 相关的网络信息

• 一般会使用 nltp 的选项组查看 TCP 相关的网络信息。

3. 查看 UDP 相关的网络信息

• 一般会使用 nlup 的选项组查看 UDP 相关的网络信息。

4. 网络状态信息的各字段说明

• Proto：协议名、Local Address：源 IP 地址 和 源端口号、Foreign Address：目的 IP 地址 和 目的端口号。

🌈 二、UDP 协议

⭐ 1. UDP 协议格式

• 由于传输层协议的端口号是 16 位的，因此在应用层查看到的端口号大部分都是 16 位。
• UDP 报头是一个结构体，因此 UDP 协议报头中的每一个字段都是这个结构体中的成员。

struct udphdr
{__be16 source;	// 16 位源端口号__be16 dest;	// 16 位目的端口号__be16 len;		// 16 位 UDP 正文长度__sum16 check;	// 16 位 UDP 检验和
};

UDP 报头中各字段标识的含义

• 16 位源端口号：记录数据从哪来。
• 16 位目的端口号：记录数据要到哪去。
• 16 位 UDP 报文长度：记录整个数据报 (UDP 首部 + UDP 数据正文) 的长度。
• 16 位 UDP 检验和：用于保证报文的完整性，如果 UDP 报文的检验和出错，则直接将报文丢弃。

⭐ 2. UDP 协议特点

1. 无连接：只要知道对端的 IP 地址和端口号即可进行数据传输，无需建立连接。
2. 不可靠：没有确认机制、没有重传机制。如果出现网路故障导致丢包了，UDP 协议层也不会给应用层返回错误信息。
3. 面向数据报：不能灵活的控制读写数据的次数和数量，报文与报文之间界限明确，只需要对读到的报文进行序列化和反序列化。

⭐ 3. 面向数据报概念

• 应用层交给 UPD 协议多长的报文，UDP 就发送多长的报文。UDP 不会拆分也不会合并报文。
• 例：如果发送端调用一次 sendto 发送 100 个字节，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。

⭐ 4. UDP 的缓冲区

• UDP 没有真正意义上的缓冲区，调用 sendto 函数会直接将数据包交给内核，由内核将数据传给网络层协议进行之后的传输动作。
• UDP 具有接收缓冲区，但这个接收缓冲区并不能保证收到的 UDP 报文的顺序和发送的 UDP 报文的顺序一致；如果这个缓冲区被填满了，之后到达的 UDP 报文就会被丢弃。
• UDP 是全双工的，UDP 的 socket 可以进行读、写操作。

为什么 UDP 会有接收缓冲区

• UDP 接收缓冲区的作用就是暂存接收到的报文，方便上层应用读取。

• UDP 如果没有接收缓冲区，上层就必须及时的将 UDP 获取的报文读走，稍微慢一点之后 UDP 从底层读取上来的报文数据就得被丢弃。

  • 虽然 UDP 不保证可靠性，但也不能大面积的丢包。

• 当报文从一台主机被传输到另一台主机的过程中，会消耗主机资源和网络资源。如果此时 UDP 收到的报文因为上一条报文没有被及时读走而被丢弃，这被消耗的主机和网络资源可不会回来。

⭐ 5. 使用 UDP 协议时的注意事项

• 由于 UDP 报头中的用来记录 UDP 报文最大长度的字段只有 16 位，因此一个 UDP 报文的最大长度为 64 KB。
• 如果需要传输的数据长度超过了 64KB，就需要再应用层进行手动分包，多次发送，然后再在接收端进行手动拼接。

⭐ 6. 基于 UDP 实现的应用层协议

基于 UDP 实现的应用层协议	说明
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 (用于无盘设备的启动)
DNS	域名解析协议