UDP协议

文章目录

  • UDP协议
    • [1. 传输层](#1. 传输层)
      • [1.1 再谈端口号](#1.1 再谈端口号)
        • [(1) 端口号范围划分](#(1) 端口号范围划分)
        • [(2) 认识知名端口号](#(2) 认识知名端口号)
        • [(3) 两个问题](#(3) 两个问题)
        • [(4) netstat](#(4) netstat)
        • [(5) pidof](#(5) pidof)
    • [2. UDP协议](#2. UDP协议)
      • [2.1 UDP协议端格式](#2.1 UDP协议端格式)
        • [(1) 2个核心问题(解包与分用)](#(1) 2个核心问题(解包与分用))
        • [(2) 深入理解UDP协议](#(2) 深入理解UDP协议)
      • [2.2 UDP的特点](#2.2 UDP的特点)
      • [2.3 UDP的缓冲区](#2.3 UDP的缓冲区)
      • [2.4 UDP使用注意事项](#2.4 UDP使用注意事项)
      • [2.5 基于UDP的应用层协议](#2.5 基于UDP的应用层协议)
      • [2.5 基于UDP的应用层协议](#2.5 基于UDP的应用层协议)

UDP协议

1. 传输层

我们前面学习的HTTP,HTTPS是基于应用层的协议,实际发送数据时是把数据向下交付给传输层,传输层对数据处理后再向下交付,贯穿整个协议栈,才能把数据发送到网络中。传输层在这里的作用:提供传输策略,负责数据能够从发送端传输接收端。

1.1 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);

(1) 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。
(2) 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

c 复制代码
cat /etc/services
(3) 两个问题
  1. 一个进程是否可以bind多个端口号? 可以
  2. 一个端口号是否可以被多个进程bind? 不可以
(4) netstat

netstat是一个用来查看网络状态的重要工具。

  • 语法:netstat [选项]
  • 功能:查看网络状态
  • 常用选项:
    • n 拒绝显示别名,能显示数字的全部转化成数字
    • l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
    • p 显示建立相关链接的程序名
    • t (tcp)仅显示tcp相关选项
    • u (udp)仅显示udp相关选项
    • a (all)显示所有选项

指令演示

查看tcp相关网络信息(仅在Listen状态),一般选择使用-nltp组合选项(查看udp时把t换成u即可)

cpp 复制代码
netstat -nltp

查看所有的tcp和udp相关网络信息

cpp 复制代码
netstat -natp    // tcp
netstat -natp    // udp
(5) pidof

在查看服务器的进程id时非常方便。

  • 语法:pidof [进程名]
  • 功能:通过进程名, 查看进程id

指令演示

2. UDP协议

2.1 UDP协议端格式

前8个字节代表UDP协议的报头

  • 16位UDP长度:表示整个数据报 (UDP首部+UDP数据)的最大长度,故UDP报文最大长度为64KB
  • 16位UDP校验和:如果校验和出错,就会直接丢弃;
(1) 2个核心问题(解包与分用)
  1. UDP是怎么做到报头和有效载荷分离呢?
  • 报头长度是固定的8个字节,报文读完8个字节后就是有效载荷;

  • 有效载荷读取长度 = 16UDP长度(整个数据报的长度) - 8字节报头长度

  1. 有效载荷是如何做到交付给应用层的哪一个进程呢?

    根据目的端口号向上交付给应用层,绑定该端口号的进程,即分用的过程

(2) 深入理解UDP协议

上图中所画的报文,究竟是什么呢?

UDP协议属于传输层协议,是在操作系统内核中的,linux内核是由C语言写的,则UDP协议也是用C语言实现的,所以所谓的报头就是一种结构化数据,在C语言中可以采用结构体或位段来实现。

什么叫做封装呢?

定义一个大的缓冲区向其中添加字段

什么叫做解包呢?

定位出报头和有效载荷,根据报头中的字段来解析内容

2.2 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;

  • 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)。

  • 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;

  • 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。即UDP协议,发送函数的次数 : 接收函数的次数 = 1 : 1

2.3 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

2.4 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;

2.5 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)
    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;

2.5 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
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