【JavaEE精炼宝库】网络原理基础——UDP详解

一、应用层

我们 Java 程序员在日常开发中，最经常与应用层打交道，在应用层一般是使用 HTTP 协议与自定义协议。

如何自定义协议?
答：

1. 确定传输信息。
2. 确定数据格式（xml、json、yml、protobuffer）。

二、传输层

负责数据能够从发送端传输接收端。

2.1 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。

• 端口号范围划分：

端口号是两个字节无符号整数（0 ~ 65535）。

1. 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。
2. 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。

• 常见知名端口号（well-know port Number）了解即可:

1. ssh 服务器，使用 22 端口。

2. ftp 服务器，使用 21 端口。

3. telnet 服务器，使用 23 端口。

4. http 服务器，使用 80 端口。

5. https 服务器，使用 443 端口。

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。

• 端口号的两个常见问题：

1. 问题1：一个进程是否可以同时绑定多个端口号？
   答：可以。这个是非常可行的，而且在日常开发中经常使用到。举个栗子：一个服务器绑定两个端口，一个端口给普通用户使用，另一个端口给程序员 + 运营人员使用，以便进行日常维护，两个端口的功能可以是不一样的。

2. 问题2：一个端口号是否可以同时被多个进程绑定？
   答：不能。好比“一山不容二虎，除非一公一母。”如果一个服务器是 TCP，一个是 UDP 此时，端口号即使在同一时刻重复了，是不影响的（一公一母），但是如果两个 TCP 或者两个 UDP，在同一时刻，使用同一个端口号，就会出现绑定失败的情况。

2.2 UDP 协议：

2.2.1 UDP 协议端格式：

下面 16 位指的是 16个bit 位。

• 16 位 UDP 长度，表示整个数据报（UDP 首部 + UDP 数据）的最大长度。
• 如果校验和出错，就会直接丢弃。
• 各个术语在下面会做出详细介绍。

上面那张图由于排版问题，画的不是很好，下面我给出一张更加清晰的图：

一个 UDP 数据报由报头和载荷构成。

• 源端口号：发送端的端口号。
• 目的端口号：接收方的端口号。
• UDP 长度：整个 UDP 数据报占多少个字节。
• UDP 校验和（UDP Checksum）：UDP 校验和是用于检测 UDP 数据报在传输过程中是否发生错误的一种机制。 举个栗子：如果发送方计算得到的校验和为 0x1234，接收方接收到数据后按照相同的算法计算校验和，在传输的过程中可能会出现 bit 翻转的情况，如果结果也为 0x1234，则说明数据在传输过程中没有发生错误。

UDP 中使用 CRC 算法来作为计算校验和的算法。 CRC 是一个简单粗暴的计算校验和的方式，循环冗余校验（校验和不是为了得到确切的值，只是为了判断算出来得值是否一样）。例如：设定 2 个字节得变量，把数据得每个字节取出来往这个变量上进行累加。如果结果溢出超过 2 个字节，溢出部分舍弃。

2.2.2 UDP 存在的问题：

UDP 长度描述了整个 UDP 数据报占的字节数，通过 UDP 长度，就能知道载荷一共是多少字节（全部的字节数 - 报头字节数）。

无符号 2 字节数的范围为：0 ~ 65535（1024 * 64）。也就是说一个 UDP 数据报最长就是 64 KB，不能再长了。对于现在来说有点短，随便拿手机拍个照片，10 MB左右，所以使用 UDP 开发程序会有很大的制约。最好的解决方法是将 UDP 改写成 TCP，TCP 对于应用层数据包的大小是无限制的。

既然 UDP 有上面的长度限制，那么为什么不对 UDP 进行升级呢？

答：这里的升级难点不在于技术，而是 zz 问题，升级到更高的字节数，成本很高。单个主机升级是没有意义的，需要对端一起升级（不然会出现解析错误的情况），由于 UDP 是系统内核实现的，如果全世界都是使用同一个操作系统，升级的成本还会小一点，但是市面上存在各种各样的操作系统，很难统一升级。

2.3 UDP 特点：

UDP 传输的过程类似于寄信。

其特点有：

• 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（存储对方信息）。
• 不可靠传输： 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。

2.4 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，也包括我们自己写 UDP 程序时自定义的应用层协议。

结语：
其实写博客不仅仅是为了教大家，同时这也有利于我巩固知识点，和做一个学习的总结，由于作者水平有限，对文章有任何问题还请指出，非常感谢。如果大家有所收获的话还请不要吝啬你们的点赞收藏和关注，这可以激励我写出更加优秀的文章。