网络 : 传输层【UDP协议】
一、预备知识
传输层负责保证可靠性传输，确保数据能够可靠地传送到接收方。
1.1 端口号认识
- 端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序。
- 端口号的作用是标识主机上的一个唯一的进程。当目标主机接收到数据之后，需要自底向上进行数据的传送，最后根据端口号来确定该传给上层哪个进程。
- 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，进而找到对应的应用层进程。
- 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
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, 他们的端口号都是固定的。
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,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.
- 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 两个问题
- 一个进程是否可以bind多个端口号?
可以
- 一个端口号是否可以被多个进程bind?
这是绝对不行的，因为我们是通过端口号来标识唯一的一个进程，如果我们将一个端口号绑定多个进程。通信时就不知道该与哪个进程通信。
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
二、UDP协议
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之间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socket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。
2.1 UDP协议端格式
- 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：表示整个数据报的长度。（UDP首部 + UDP数据）
- 16位UDP检验和：检验报文是否出错，如果UDP报文的检验和出错，就会直接将报文丢弃。
如何实现报头与数据的分离？
读取前8字节，找出UDP长度，使用UDP长度减去报头8字节即使数据。
2.2 UDP协议特点
UDP传输的过程类似于寄信，特点如下：
- 无连接：知道对端的IP和端口号就可以直接进行通信，无需等待连接。
- 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。
注意：报文在网络中进行路由转发时，并不是每一个报文选择的路由路径都是一样的，因此报文发送的顺序和接收的顺序可能是不同的。
2.3 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;
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，又能写。这样的特性叫做全双工。
2.5 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;
2.6 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