浅谈面向数据报的协议-UDP协议

news2024/9/21 14:41:26

1.什么是网络协议

协议用通俗的话来说就是约定，因为计算机之间的传输媒介是光信号和电信号. 通过 "频率" 和 "强弱" 来表示 0 和 1 这样的信息. 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双方的数据格式.

计算机生产厂商有很多;

计算机操作系统, 也有很多;

计算机网络硬件设备, 还是有很多;

如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来, 约定一个共同的标准,大家都来遵守, 这就是 网络协议;

2.协议模型

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。但是这个模型比较复杂并且不实用，最常用的其实是TCP/IP协议。

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇.

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求

物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.

数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.

应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层.

大部分的情况下物理层考虑的比较少，所以也叫做TCP/IP四层协议。

3.UDP协议端

3.1 认识UDP协议

首先我们需要对UDP协议有一个认知，它有3个特点：

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;

面向数据报: 不能够灵活的控制读写数据的次数和数量;

3.2 协议端格式

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;

那么UDP首部就是报头，也就是前8个字节，源端口号就是在传输层随机形成的，目的端口号就是接受方的端口号，在应用层获取。

这也就解释了自定义UDP服务器时，端口号port的数据类型为什么是uint6_t了。

还有两个小问题：

1.UDP协议是如何解决报头和有效载荷的分离问题？

UDP使用报头定长8字节来解决。

2.UDP协议是如何解决有效载荷向上交付的问题？

UDP使用目的端口号来解决

3.3 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;

怎么知道收到的报文是完整的？

报文<8字节一定不完整，因为报头都不完整，报文>=8字节时，16位UDP长度-8字节就是有效载荷。

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;

我们怎么看待报头呢？其实报头就是一个结构体描述化字段。

那么当报文多起来了，OS是怎么对报文进行处理的呢？

首先这个数据的大小是能知道的，假设这个报文大小是5个字节，内核当中有一个结构体sk_buff,里面的tail指针指向缓冲区的某个位置，然后将data指针指向tail前五个字节的位置，然后报头大小为8字节，那么再将data指针前移8个字节，再将报头及有效载荷放入这个空间，这就是OS对报文的管理，也叫做UDP报文的封装。