UDP协议基本原理

前言

? ? ? ? 本文主要讲解传输层中的UDP协议，我准备从UDP的特点出发，深入理解UDP协议，从UDP协议的结构推出UDP协议的特点；

一、理解端口号

? ? ? ? 前面我们总是说用IP加端口号的方式定位全网的唯一进程，通常在TCP/IP中，我们使用（源IP、源端口号、目的IP、，目的端口号、协议号）这样的一个五元组来标识一个通信；其中源IP与源端口号告诉对端发送方的主机与主机上哪一个进程，目的IP与目的端口了解我要去哪一台主机和主机上哪一个进程，协议号标识我们使用哪一种协议；

1、端口号的划分

? ? ? ? 我们在使用端口号时，并不是所有端口号我们都可以使用，有一类端口号被称之为熟知端口号，这类端口号的范围是1~1023，我们可以在Linux机器上的 /etc/services 中查看这些端口号；

????????另一类叫做登记端口号，这种端口号数值范围为1024~49151，要使用这类端口号必须在IANA按照规定的手续登记；

? ? ? ? 最后一类就是客户端使用的端口号，数值范围为49152~65535，这类端口号就是临时端口号，因此又叫做短暂端口号，留给客户进程选择临时使用，用完后归还；

2、netstat的使用

? ? ? ? netstat是我们进行网络编程的一个非常重要指令，该指令可以当前机器的网络状态；

常用选项：

n：拒绝显示别名，能显示数字就显示数字

l：仅列出处于监听（listen）状态的服务状态

p：显示建立相关连接的程序名

t：显示tcp相关选项

u：显示udp相关选项

a：显示所有选项，默认不显示listen相关；

二、UDP协议

1、UDP协议的特点

? ? ? ? 首先补充以下UDP协议的特点，以下为UDP协议特点；

（1）无连接

（2）不可靠

（3）面向数据报

? ? ? ? 前面的文章我们也有简单提过UDP的这三个特点，下面我们来详细解剖UDP的特点；

2、UDP协议格式

? ? ? ? UDP报文格式如下图所示；

源端口：发送方的端口号；

目的端口：接收方的端口号；

UDP长度：包括首部长度和数据长度；

UDP校验和：判断整个报文是否正确，若报文有误则直接抛弃；

????????首先我们要考虑的是如何实现UDP报文的封装和分离；仔细观察UDP报头的格式，我们发现报头的首部长度为固定的8字节，因此，我们可以首先提取出首部，然后我们再读取其中UDP长度字段，然后减去首部长度，剩下就是我们应该提取数据的长度；封装就更简单了，我们首先计算出数据长度，然后填充报头中字段；

? ? ? ? 看了上面的内容有没有想到UDP面向数据报的特点，正是因为我们对UDP报文长度是可预知的，我们可以提取出整个报文长度，所以我们可以将整个数据报整体发送，整体接收；

3、UDP的缓冲区

????????从某种意义上来说UDP协议并没有发送缓冲区，当我们上层调用sendto接口时，到了传输层这里，若为使用UDP协议，则封装完报头后直接发送了，并不需要发送缓冲区；但UDP有接收缓冲区，不过UDP的接收缓冲区一旦满了以后，收到任何UDP报文都直接丢弃；

? ? ? ? UDP的socket既能读也能写，且能同时进行，是全双工通信方案；

? ? ? ? 从上面种种来看，UDP协议设计的非常简单，从校验和检测不对直接丢弃，到接收缓冲区满后也直接丢弃，种种来看，UDP是一种“不可靠”的协议；这里的不可靠千万不能理解成贬义词，这里的不可靠为中性词，也正是UDP的这种简单不可靠，免去了UDP在维护可靠性所花费的成本，如UDP无连接，而后面所学习的TCP有连接正是维护可靠性所花费的成本；

4、理解UDP报文本身

????????我们可以以下面这种方式来理解UDP报文；

struct Udp_header
{
    uint16_t _src_port;
    uint16_t _dst_port;
    uint16_t _udp_len;
    uint16_t _udp_check;
};

? ? ? ? 所谓封装就是填充上述结构体后，在加上上层该付给该层的消息；所谓分离，我们可以理解为去掉前面报头的长度，也就是8字节，然后提取内容，内容的大小为 _udp_len - 8 ;