一、通信基石：端口和五元组
什么是五元组
在TCP/IP协议中，标识一个唯一的通信连接需要五个元素：
- 源IP
- 源端口号
- 目的IP
- 目的端口号
- 协议号（如TCP或UDP）
在Linux中，可以使用netstat -n命令查看这些信息
端口号划分
- 知名端口号
0~1023 - 私有端口号：
1024~65535
一个进程可以绑定多个端口号吗？
可以，一个进程可以创建多个Socket文件描述符，每个Socket都可以绑定一个独立的端口
一个端口号可以被多个进程绑定吗？
默认不行，有特例
- 若进程A绑定了8080，进程B再绑定8080，OS会抛出"地址被使用"错误
- 特例：如果使用了
setsockopt设置了SO_REUSEADDR或SO_REUSEPORT
二、 UDP报文结构
UDP协议头格式
UDP头部固定8个字节，协议就是结构体：
在内核视角下：
cpp
struct udphdr {
uint16_t source; // 16位源端口号
uint16_t dest; // 16位目的端口号
uint16_t len; // UDP长度（报头+数据）
uint16_t check; // 校验和
};| 字段 | 长度 | 作用 |
|---|---|---|
| 源端口号 | 16位 | 标识发送进程 |
| 目的端口号 | 16位 | 标识接收进程 (用于分用) |
| UDP长度 | 16位 | 表示整个数据报(首部+数据)的最大长度 |
| UDP校验和 | 16位 | 如果校验和出错，数据会被直接丢弃 |
怎么解包？
OS读取报文的前8个字节，剩下的内容就是有效载荷
怎么分用？
基于16位目的端口号，内核根据这个端口号，把数据推送绑定了该端口的应用层进程的接收缓冲区当中
UDP的痛点：16位长度的限制
UDP长度只有16位，则为216−1=655352^{16} - 1= 65535216−1=65535，这意味着一个UDP包（包含头部）最大只能是64KB
如果UDP要上传大于64KB的数据怎么办？
必须在应用层手动分包，程序员自己实现把大文件切成小块，发送过去，再接收拼装
UDP特点
-
面向数据报
- 定义：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样转发，不拆分，也不合并
-
缓冲区机制：
-
发送缓冲区： UDP没有真正意义上的缓冲区，调用
sendto会直接交给内核，内核拷贝给网卡驱动 -
接收缓冲区： UDP有接收缓冲区
- 接收缓冲区不能保证收到数据包的顺序和发送顺序一致
- 丢包：如果接收缓冲区满了，新到达的数据就会直接被丢弃
-
怎么做到数据转发？
应用层调用
sendto发数据时：- 数据从应用层拷贝到传输层
- 内核在数据前添加UDP报头
- 继续交给下层处理
-
总结：
- 面向数据报：上层给我什么样，我就加个报头，不做任何处理向下层交付
- 无连接：知道对方的IP和端口号就直接传输，无需连接
- 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协议也不会给应用层返回任何错误信息
三、 UDP Socket编程demo
服务端
cpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024
int main(){
// 1. 创建套接字 socket
// AF_INET: IPv4
// SOCK_DGRAM: UDP数据报类型
// 0: 默认
int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd < 0){
std::cerr << "socket create err" << errno << std::endl;
return -1;
}
// 2. 填充服务器地址结构体
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清零，防止垃圾数据
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 接收任意网卡的连接
server_addr.sin_port = ::htons(PORT); // 端口转网络字节序
// 3. 绑定 bind
// 必须绑定，否则客户端不知道发给谁
if(::bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){
std::cerr << "bind err" << errno << std::endl;
return -1;
}
std::cout << "UDP Server is running on port " << PORT << "..." << std::endl;
char buffer[BUFFER_SIZE];
struct sockaddr_in client_addr; // 必须保护客户端的信息
socklen_t len = sizeof(client_addr); // 必须初始化为结构体的大小
while(1){
// 4. 接收数据 recvfrom
// 最后两个参数是输出型参数，内核会把"谁发的"填进去
int n = ::recvfrom(sockfd, (char*)buffer, BUFFER_SIZE,
0, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
buffer[n] = '\0';
std::cout << "Client : " << buffer << std::endl;
// 5. 发送回复 sendto
const char* hello = "hello from server";
::sendto(sockfd, (const char*)hello, strlen(hello),
0, (const struct sockaddr*)&client_addr, len);
}
close(sockfd);
return 0;
}客户端
cpp
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
#define SERVER_IP "127.0.0.1" // 本地回环测试
int main() {
// 1. 创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket creation failed");
return -1;
}
// 2. 填充目标（服务器）地址信息
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(PORT);
// 将字符串IP转换为网络字节序
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
// 3. 直接发送 (Sendto)
const char *hello = "Hello from Client";
// 注意：UDP是无连接的，必须在发的时候指定发给谁 (&servaddr)
sendto(sockfd, (const char *)hello, strlen(hello),
0, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
std::cout << "Message sent." << std::endl;
// 4. 接收回复 (Recvfrom)
char buffer[1024];
socklen_t len = sizeof(servaddr);
// 这里也可以传 NULL，如果你不关心是谁回你的（但在UDP中最好校验源地址）
int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, 1024,
0, (struct sockaddr *)&servaddr, &len);
buffer[n] = '\0';
std::cout << "Server : " << buffer << std::endl;
close(sockfd);
return 0;
}