【计算机网络】传输层协议 -- UDP协议

1. 传输层相关知识

传输层是计算机网络中的一个重要层次，位于网络层和应用层之间，它的主要功能是为应用层提供端到端的数据传输服务，负责确保数据可靠传输、流浪控制和拥塞控制等。

传输层的两个主要协议是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。它们各自有不同的特点和用途，本文章主要大概介绍了传输层相关知识以及UDP协议。

1.1 端口号

端口号的作用

端口号（port）标识一个主机上进行网络通信的不同程序。当主机从网络中获取到数据之后，需要自底向上进行数据的交付，而这个数据最终应该交付给上层的哪个进程，就是由端口号来决定的。

所以，端口号就是计算机网络中用于标识应用程序或服务的数字标识符，它是在传输层使用的，以便将数据正确地交给对应的应用程序。

当网络中的数据在向上交付时，在传输层系统会提取出数据对应的端口号，进而确定该数据应该交付给哪一个进程。

五元组标识通信

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命令查看）。

其中Local Address表示的就是源IP地址和源端口号，Foreign Address表示的就是目的IP地址和端口号，而Proto表示的就是协议类型。

协议号与端口号

• 协议号是存在于IP报头当中的，其长度为8位。协议号指明了数据报所携带的数据是使用的何种协议，以便让目的主机的IP层知道应该将数据交付给传输层的哪个协议进行处理。
• 端口号是存在于UDP和TCP报头当中得到，其长度为16位。端口号的作用是标识一台主机上的某个进程。
• 协议号是作用与传输层和网络层之间的，而端口号是作用于应用层和传输层之间的。

1.2 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，它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。

1.3 知名端口号

有些服务器是非常常用的，为了使用方便，人们约定一个常用的服务器，都是用以下这些固定的端口号。

• ssh服务器，使用22号端口
• ftp服务器，使用21号端口
• telnet服务器，使用23号端口
• http服务器，使用80号端口
• https服务器，使用443号端口

查看知名端口号

我们可以看到知名的端口号，在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。

我们可以查看 /etc/services 文件，该文件是记录网络服务器名和它们对应使用的端口号和协议。

文件中的每一行对应一张服务，它由四个字段组成，每个字段之间用TAB或者空格分开，分别表示“服务名称”、“使用端口”、“协议名称”、“别名”。

1.4 一些相关命令

netstat命令是一个用来查看网络状态的工具。

其常见的选项如下：

• n：不显示别名，能显示数字的全部转换为数字
• l：仅显示出处于LISTEN状态的服务器
• p：显示建议相关链接的程序名
• t：仅显示TCP相关选项
• u：仅显示UDP相关选项
• a：显示所有选项

查看UDP相关网络信息，一般使用nlup选项

查看TCP相关网络信息，一般使用nltp选项

iostat命令

iostat命令主要用于输出磁盘IO和CPU的统计信息。

其常见的选项如下：

• c：显示CPU的使用情况
• d：显示磁盘的使用情况
• N：显示磁盘列阵信息
• n：显示NFS使用情况
• k：以KB为单位显示
• m：以M为单位显示
• t：报告每秒向终端读取和写入的字符数和CPU的信息
• V：显示版本信息
• x：显示详细信息
• p：显示磁盘分区情况

CPU属性值说明：

• %user：CPU处在用户模式下的时间百分比
• %nice：CPU处在带NICE值的用户模式下的时间百分比
• %system：CPU处在系统模式下的时间百分比
• %iowait：CPU等待输入输出时间的百分比
• %steal：管理程序维护另一个虚拟处理器时，虚拟CPU的无意识等待时间百分比
• %idle：CPU空闲时间百分比

pidof命令

pidof命令可以通过进程名，查看进程id。

2. UDP协议

2.1 UDP协议格式

UDP的位置

网络套接字编程时用到的各种接口，是位于应用层和传输层直接的一层系统调用接口，这些接口是系统提供的，我们可以通过这些接口搭建上层应用，比如HTTP。我们经常说HTTP是基于TCP的，实际就是因为HTTP在TCP套接字编程上搭建的。

而socker接口往下的传输层实际就是由操作系统管理的，因此UDP是属于内核当中的，是操作系统本身协议栈自带的，其代码不是由上层用户编写的，UDP的所有功能都是由操作系统完成，因此网络也是操作系统的一部分。

• UDP协议格式

• 16位源端口号：表示数据从哪里来
• 16位目的端口号：表示数据要到哪里去
• 16位UDP长度：表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的长度
• 16位UDP检验和：如果UDP报文的检验和出错，就会直接将报文丢弃

我们在应用层看到的端口号大部分都是16位的，其根本原因就是因为传输层协议当中的端口号就是16位的。

UDP如何将报头与有效载荷分离？

UDP的报头当中只包含四个字段，每个字段的长度都是16位，总共8字节。因此UDP采用的实际上是一种定长报头，UDP在读取报文时读取完前8个字节后剩下的就都是有效载荷了。

UDP如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

UDP的报头当中包含了目的端口号，通过目的端口号去找到对应的进程。

内核中用哈希的方式维护了端口号与进程ID之间的映射关系，因此传输层可以通过端口号得到对应的进程ID，进而找到对的进程。

如何理解报头？

操作系统是用C语言写的，而UDP协议又是属于内核协议栈的，因此UDP协议也一定是用C语言写的，UDP报头实际就是一个位段结构。

UDP数据封装

• 当应用层将数据交给传输层之后，在传输层就会创建一个UDP报头类型的变量，然后填充报头当中的各个字段，此时就得到了一个UDP报头。
• 此时操作系统再在内核当中开辟一块空间，将UDP报头和有效载荷拷贝在一起，此时就形成了UDP报文。

UDP数据分用

• 当传输层从下层获取到一个报文之后，就会读取报文的前八个字节，提取出对应的目的端口号。
• 通过目的端口号找到对应的上层应用层进程，然后将剩下的有效载荷向上交付给该应用层进程。

2.2 UDP协议的特点

UDP传输的过程就类似于寄信，其特点如下：

• 无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行数据传输，不需要建立连接
• 不可靠：没有确认机制，没有重传机制。如果因为因为网络故障该段无法发送给对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。
• 面向数据报：不能够灵活地控制读写数据的次数和数量

2.3 什么是面向数据报

应用层交给UDP多长的报文，UDP就按原样发送，既不会拆分，也不会合并，这就叫做面向数据报。

比如用UDP传输100个字节的数据：
如果发送端调用一次sendto，发送100字节数据，那么接收端也必须调用一次recvfrom，接收100个字节数据。而不能循环调用10次recvfrom，每次接收10个字节数据。

2.4 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后进行后续的动作。
• UDP具有接收缓冲区，当这个接收缓冲区并不能保证收到的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，因此UDP是全双工的。

为什么UDP要有接收缓冲区？

如果UDP没有接收缓冲区，那么就要求上层及时将UDP获取到的报文读取上去，如果一个报文在UDP没有被读取，那么此时UDP从底层读取上来的报文数据就会被迫丢弃。

一个报文从一台主机传输到另一台主机，在传输过程中会消耗主机资源和网络资源。如果UDP收到一个报文后仅仅因为上次收到的报文没有被上层读取，而被迫丢弃一个可能并没有错误的报文，这就是在浪费主机资源和网络资源。

因此UDP本身是会维护一个接收缓冲区的，当有新的UDP报文到来时就会把这个报文放到接收缓冲区当中，此时上层在读数据时就直接从这个接收缓冲区当中进行读取就行了，而如果UDP接收缓冲区当中没有数据那上层在读取时就会被阻塞。

因此UDP接收缓冲区的作用就是：将收到的报文暂时保存起来，供上层读取。

2.5 UDP使用注意事项

需要注意的是，UDP协议报头当中的UDP最大长度是16位的，因此一个UDP报文的最大长度是64K（包含UDP的大小）。

然而64K在当今的互联网环境下，是一个非常小的数字。如果需要传输的数据超过64K，就需要在应用层进行手动分包，多次发送，并在接收端进行手动拼装。

2.6 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