UDP传输层通信协议详解

引言

在计算机网络通信的广阔天地中，传输层协议扮演着至关重要的角色。它们负责在网络中的两个终端之间建立、管理和终止数据传输。在众多传输层协议中，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）以其独特的特性和应用场景脱颖而出。UDP传输层通信协议详解，将为我们揭示这一协议的工作原理、优缺点以及在现代网络通信中的重要作用。

以下是本文需要的几个基础知识。

**传输层--**负责数据能够从发送端传输接收端。
**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--uint16_t
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 (Well-Know Port Number)
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（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 .）:
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
两个问题

一个进程是否可以 bind 多个端口号 ?--Y
一个端口号是否可以被多个进程 bind?---N
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) 的服務状态
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，默认不显示LISTEN相关
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

UDP协议

0-31表示宽度，第一行的数据就是位段前两个数据，分别占用了16位

可以看到UDP的报头与格式还是比较简单的，符合了UDP效率高，不可靠的特性。

UDP的报头一共8字节，8*8 = 64bite，所以内部采用了**位段（比特位）**的方式梳理结构。包含了源端口号与目的端口号的信息（uint16_t）

16位UDP长度, 表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度(单位是1字节）;
校验和： 如果校验和出错, 就会直接丢弃

校验和解读

UDP（用户数据报协议）中的16位校验和是一个重要的错误检测机制，它用于验证数据在传输过程中的完整性。以下是关于UDP 16位校验和的详细介绍：

工作原理

**计算校验和**：发送方在发送数据之前， 会计算整个UDP数据报的校验和 。这个计算包括 UDP头部、UDP数据以及一个伪头部（pseudo-header） 。 伪头部包含了源IP地址、目的IP地址、保留位（置为0）、协议号（对于UDP来说是17）和UDP数据报的长度。
**伪头部的使用**：伪头部 并不真正存在于UDP数据报中，它仅在计算校验和时被使用 。伪头部的目的是为了 确保数据报在传输过程中能够正确地到达目的地，即使它们在传输过程中可能会经过不同的网络路径。
**校验和的计算方法**：校验和的计算是通过将所有16位字（包括伪头部、UDP头部和数据）相加，并取反来完成的。如果相加的结果有进位，进位会被加回到最低位上。最终得到的16位值就是校验和。

校验和的验证

**接收方验证**：接收方在收到UDP数据报后， 会重新计算整个数据报（包括伪头部）的校验和，并与数据报中携带的校验和进行比较 。
**错误检测**：如果接收方计算出的校验和与数据报中的校验和不匹配，那么接收方可以认为数据在传输过程中发生了错误。在这种情况下， UDP通常会丢弃这个数据报，并且不会通知发送方。

特点

**简单性**：校验和的计算相对简单，不需要复杂的算法。
**有限性**：1 6位的校验和只能检测出一定范围内的错误，它不是绝对可靠的。例如，它不能保证检测出所有类型的错误，也不能纠正错误。
**无连接性**：由于 UDP是无连接的，校验和是UDP提供的一种基本错误检测手段，但它不保证数据的可靠传输。

注意事项

如果发送方或接收方在 计算校验和时发现错误 ， UDP协议本身不会尝试重传数据报 ， 这是与TCP协议的一个重要区别 。
在某些特殊情况下 ，发送方可以选择不计算校验和，并将校验和字段置为0 。这通常用于 性能敏感的应用，但这样做会降低错误检测的能力。

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(不存在发送缓冲区）

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 的缓冲区与全双工
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;
2^10*2^6 / 1024（字节） = 64KB

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

DNS

DNS（Domain Name System，域名系统）是一种用于将域名和IP地址相互转换的分布式数据库和协议。DNS的主要目的是便于人们使用易于记忆的域名来访问互联网上的资源，而不需要记住复杂的IP地址。以下是DNS协议的简介：

功能：

**域名解析**：将人类可读的域名（如 www.example.com）转换为机器可读的IP地址（如 192.0.2.1）。
**反向解析**：将IP地址转换为对应的域名（主要用于某些网络管理和安全功能）。
**域名服务**：提供域名注册、更新和删除等服务。

工作原理：

**递归查询**：

用户在浏览器中输入域名，计算机会向本地DNS服务器发送解析请求。
如果本地DNS服务器没有缓存该域名的记录，它会作为递归解析器，向其他DNS服务器发送查询请求，直到找到解析结果。

**迭代查询**：

DNS服务器之间通常使用迭代查询。当一个DNS服务器收到查询请求时，如果它没有所需的信息，它会返回另一个DNS服务器的地址，让请求者向该服务器发送新的查询。

**DNS记录**：

DNS记录存储在DNS服务器上，它们包含有关域名的各种信息，如A记录（域名到IPv4地址的映射）、AAAA记录（域名到IPv6地址的映射）、MX记录（邮件交换记录）、CNAME记录（别名记录）等。

DNS服务器类型：

**根域名服务器**：顶级域名（如.com、.net、.org）的DNS服务器。
**顶级域名服务器**（TLD）：管理特定顶级域名的DNS服务器。
**权威域名服务器**：管理特定域名的DNS服务器。
**本地DNS服务器**：通常由互联网服务提供商（ISP）或组织提供，为用户提供本地解析服务。

安全性：

- DNS存在一些安全风险，如DNS劫持、缓存投毒等。

- 为提高安全性，可以使用DNSSEC（DNS安全扩展）来验证DNS响应的真实性和完整性。

DNS是互联网基础设施的重要组成部分，它使得用户能够通过简单的域名来访问互联网上的各种资源。