Linux下传输层协议UDP详解（含底层源码解析）

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文章目录

[1. 传输层](#1. 传输层)

[2. 再谈端⼝号](#2. 再谈端⼝号)

[2.1 端⼝号范围划分](#2.1 端⼝号范围划分)

[2.2 认识知名端⼝号](#2.2 认识知名端⼝号)

[2.3 两个问题](#2.3 两个问题)

[3. UDP协议](#3. UDP协议)

[3.1 UDP协议端格式](#3.1 UDP协议端格式)

[3.2 几个结论和问题（重点！封装和解包本质）](#3.2 几个结论和问题（重点！封装和解包本质）)

[3.3 【结合源码解析】当我们收到一个报文的时候，我们是如何做到以文件管理的原理，读到数据到应用层的？（超级大重点！一定要读）](#3.3 【结合源码解析】当我们收到一个报文的时候，我们是如何做到以文件管理的原理，读到数据到应用层的？（超级大重点！一定要读）)

[3.4 UDP的特点](#3.4 UDP的特点)

[3.5 ⾯向数据报](#3.5 ⾯向数据报)

[3.6 既然不可靠，为什么还要有UDP](#3.6 既然不可靠，为什么还要有UDP)

[3.7 UDP的缓冲区](#3.7 UDP的缓冲区)

[3.8 UDP使⽤注意事项](#3.8 UDP使⽤注意事项)

[3.9 补充：基于UDP的应⽤层协议](#3.9 补充：基于UDP的应⽤层协议)

1. 传输层

负责数据能够从发送端传输接收端。

2. 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);

2.1 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.

2.2 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

复制代码

1  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.

2.3 两个问题

一个进程可以绑定多个端口号吗？

可以！

一个端口号可以绑定多个进程吗？

不可以！

3. UDP协议

3.1 UDP协议端格式

16位UDP⻓度, 表⽰整个数据报(UDP⾸部+UDP数据)的最⼤⻓度;
如果校验和出错, 就会直接丢弃;

3.2 几个结论和问题（重点！封装和解包本质）

为什么我们写socket的时候，port是16位的？因为UDP协议规定！
报头和有效载荷如何分离？

UDP是采用固定长度的报头（8字节）！其中有一个固定位置是16位UDP长度！因为我们有它的长度，所以我们就能很轻松的将报头和正文内容进行分离！

那么有效载荷是怎么交付给上层的呢？

因为有16位目的端口号，就能得到交付给哪个端口的进程！

那么UDP是否存在粘包问题？

UDP叫用户数据报协议，长度固定好，收一个报文得一个报文！！所以不存在粘包问题！

我们是如何理解UDP协议的报头的呢？

OS内核是C语言写的，协议本质是一个结构体！在OS内部，双方是能互传结构体变量！（天然可以做反序列化）

如图：

所以我们该如何理UDP解封装过程？

当我们需要发送数据了，在OS内部会给我们开辟一段缓冲区，会把上层数据拷贝下来，并将指针向前移动UPD报头的位置，然后以访问结构体的方式通过指针将UDP属性部分填充进去！

封装的本质就是对结构体的拷贝！

报文如何在协议层从一层到另一层

从底层到上层，你就是在做回调；从上层传下层，你就是调用下层函数，本质都是传参的方式，进行协议栈式的流通！

3.3 【结合源码解析】当我们收到一个报文的时候，我们是如何做到以文件管理的原理，读到数据到应用层的？（超级大重点！一定要读）

首先，OS内部，可能会同时存在多个报文！ 那么就不可避免的需要对报文进行管理！

OS，报文的在内核表达的本质是一个 struct sk_buff结构体！所谓管理，就是将收到的报文以某种数据结构（假设是链表）进行管理！

head: 一般指向数据的最开头。

end：指向结尾边界，后面有些属性字段也要被管理（不用管）

data：在应用层指向应用层数据开头，到传输层移动到TCP协议头开头，到网络层，移动到IP协议头，依次类推！（而这就是封装的本质，即不断入栈的形式，对指针进行移动！解包就是反过来！）

tail：指向应用层数据结尾！

结论：报文贯穿协议栈，封装和解包的过程，最核心的其实就是移动指针就可以了！

知道报文数据的存储结构体，接着将视线移动到进程内部：

进程，OS会创建对应的task_struct结构体，同时会会创建一个files_struct，里面有个struct file* fd_arrary[]的数组负责该进程所创建的文件，以下标fd的方式进行管理！
当创建对应套接字的时候，就会创建对应的struct file结构体，但是怎么标识 套接字的特殊型 ，于是会创建一个struct socket的结构体，通过file内部的万能指针void* private_data指向对应的struct socket，至此就完成了文件到套接字的转换

接着把视角放到socket内部：

socket被private_data指向，同时socket内部还有个 struct file * file回指struct file！
由于一切皆文件，当我们通过read、recv等接口进行读写的时候，进程回被阻塞，进程就会把 PCB 列入 wait_queue_head_t wait中呆着！当数据有了，就会再次把进程唤醒！
同时还有个结构叫 struct sock * sk指向的就是套接字内部的属性了！

将视线继续往下看：

在struct sock中有两个属性：
struct sk_buff_head就是对应的缓冲队列 这一块我写过为了文章完整性我把关键内容截取下来了：

当然光有sock还不够，上层它还套了层struct inet_sock:

里面第一个成员就是struct sock,这里面的daddr、rcv_saddr、dport等就是目的地址、原地址、端口号等，即套接字的绑定信息，就是填到这里的！！
我们真实在内核创建套接字，并持有信息的结构体其实是 inet_sock!而不是struct sock！，只是其第一个成员是 struct scok！

那么怎么区分是UDP还是TCP呢？

其实利用多态的思想本质上就是在struct inet_sock 上再套上一层 struct udp_sock

里面第一个属性就是struct inet_sock inet！；未来换成TCP也是同理！ 而里面的struct sock就是最原始的基类（网络传送接收的数据就是通过该基类管理的）！后面不管是套上什么样的子类，都可以利用多态思想通过指针的强转，然后利用文件的wirte、read接口读取写入 网络缓冲区里面的东西！！至此文件和套接字网络就关联起来了！！

3.4 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（UDP本身不可靠，但不排除上层代码维护可靠性）
⾯向数据报：不能够灵活的控制读写数据的次数和数量

3.5 ⾯向数据报

应⽤层交给UDP多⻓的报⽂, 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

3.6 既然不可靠，为什么还要有UDP

所谓的不可靠，不是数据传不过去，而是丢包了，我们不关心！！现阶段网络环境已经很少丢包了！

所谓的不可靠，不代表 不可用！！

可靠，意味着需要做更多工作，就相对更慢，而不可靠，就意味着相对快一点，使用更简单，意味着在不重要的场合可以更简单更快速进行传输！

3.7 UDP的缓冲区

虽然UDP也是全双工！！

但是 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（因为UDP是不可靠的，直接发出去就行，不存在TCP那种如果传输失败，需要缓冲区数据作为备份再次发送！）;
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;

3.8 UDP使⽤注意事项

我们注意到, UDP协议⾸部中有⼀个16位的最⼤⻓度. 也就是说⼀个UDP能传输的数据最⼤⻓度是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

3.9 补充：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！

类似动不动10w+的直播视频，都是UDP的，因为一个一个建立连接，服务器成本太高了！

Linux下 传输层协议UDP详解（含底层源码解析）

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