Linux网络协议之UDP协议(传输层)

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1.深入理解传输层

1.1 对于端口号的理解

传输层是负责端对端之间的传输，端指的是端口(port)；TCP协议和UDP协议都是传输层的协议

• 端口（Port）标识一个主机上进行网络通信的不同的应用程序。当主机从网络中获取到数据后，需要自底向上进行数据的交付，而这个数据最终应该交给上层的哪个应用处理程序，就是由该数据当中的目的端口号来决定的
• 从网络中获取的数据在进行向上交付时，在传输层就会提取出该数据对应的目的端口号，进而确定该数据应该交付给当前主机上的哪一个服务进程
• 端口号如何找到进程？内核实现通过哈希算法，端口号对应进程PID

在TCP/IP协议中, 用 “源IP地址”, “目标IP地址”, “协议号”, “源端口号”,"目标端口号" 这样一个五元组来标识一个通信(可以通过netstat -n查看)

• 源IP地址：发送数据的主机IP
• 目标IP地址：最终接收数据主机IP
• 源端口号：发送数据主机中发送数据的进程
• 目标端口号：最终接收数据主机中要接收数据的进程

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1.2 端口号范围

• 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
• 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

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1.3 常用的知名端口号

有些服务器是非常常用的, 为了使用方便, 人们约定一些常用的服务器, 都是用以下这些固定的端口号

• SSH服务器：使用22端口号
• FTP服务器：使用21端口号
• Telnet服务器：使用23端口号
• HTTP服务器：使用80端口号
• HTTPS服务器：使用443端口号

使用命令 cat /etc/services 可以查看指明端口号

说明一下： 文件中的每一行对应一种服务，它由4个字段组成，每个字段之间用TAB或空格分隔，分别表示“服务名称”、“使用端口”、“协议名称”以及“别名”

一点提醒：一个进程可以绑定多个端口号，一个端口号只能绑定一个进程

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1.4 进程和端口号的两个问题

第一个问题：一个端口号是否可以被多个进程绑定？

• 一个端口号绝对不能被多个进程绑定，因为端口号的作用就是唯一标识一个进程，如果绑定一个已经被绑定的端口号，就会出现绑定失败的问题

第二个问题：一个进程是否可以绑定多个端口号？

• 一个进程是可以绑定多个端口号的，这与“端口号必须唯一标识一个进程”是不冲突的，只不过现在这多个端口唯一标识的是同一个进程罢了
• 我们限制的是从端口号到进程的唯一性，而没有要求从进程到端口号也必须满足唯一性，因此一个进程是可以绑定多个端口号的

总结：一个进程可以绑定多个端口号，一个端口号只能绑定一个进程

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1.5 查看网络状态命令(netstat)

netstat是一个用来查看网络状态的重要工具

其常见的选项如下：

• 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
• a (all)显示所有选项，默认不显示LISTEN相关
• u (udp)仅显示udp相关选项
• t (tcp)仅显示tcp相关选项

一些其他命令补充：

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（LVM）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：显示磁盘分区的情况
  
  

我们来试下这个命令，比如我们要查看磁盘IO和CPU的详细信息

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等待输入输出完成时间的百分比
• %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

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pidof命令：可以通过进程名，查看进程id

例如，我们用pidof命令查看我们自己编写的一个死循环进程：

pidof命令可以配合kill命令快速杀死一个进程

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ipconfig命令：用于显示或者设置网络设备

一点解释：

• inet：IP地址
• netmask：子网掩码
• vroadcast：广播
• ether：以太网

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2.UDP协议

2.1 UDP协议格式

内核中的UDP报头结构定义：

• 16位源端口：数据从哪一个端口发出来的，也就是数据从哪一个进程发送出来的
• 16位目的端口：数据想要到哪一个端口去，也就是数据想要去往哪一个进程
• 16位UDP长度：表示整个数据报(UDP头部+UDP数据)的最大长度
• 16位的UDP校验和：校验数据在传输过程中是否失真，数据在传输的过程中需要经过很多链路设备，如果在转发过程中有某个字节损坏，就相当于整个这个数据失真了，如果UDP接收方校验和出错，就会直接将数据丢弃掉，且不会通知发送方
• 如果校验和出错, 就会直接丢弃
  
  

16位能够表示的数据最大位长度位2^16=65536—>指的是UDP数据的最大长度

网络每一层主要都要解决两个问题：

第一个问题：如何做到数据和报头的有效分离？

• UDP报头是定长的8字节，可以将报头分离。报头的16位UDP长度减去8字节，就是数据长度

第二个问题：如何做到向上交付给什么谁？

• 传输层向上交付，交付给应用层，实际是交付给应用层的某个进程，目的端口号确认交付给哪个进程

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2.2 UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信，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

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

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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

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2.4 UDP的缓冲区

UDP的socket既能读, 也能写, 这个概念叫做全双工

UDP缓冲区：

• 发送缓冲区：将应用层提交给传输层的应用数据打上UDP报头之后就提交给网络层继续传输
• 接收缓冲区：去掉UDP报头之后，将数据递交给应用层，UDP并不保证数据的可靠，以及有序

对于UDP的理解：

• 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
• 发送缓冲区：将应用层数据打上UDP报头后直接递交给网络层
• 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
• 接收缓冲区：去掉UDP报头后将数据递交给应用层
• UDP协议并不保证数据的有序到达

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2.5 基于UDP协议的应用层协议

• NSF：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
• 也包括自己写UDP程序时自定义的应用层协议

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2.6 UDP使用注意事项

• UDP包头中UDP最大长度只有16位，说明UDP能够传输的数据最大的长度是64k(包括报头)

• 如果我们需要传输的数据超过64k，就需要在应用层手动进行分包，多次发送，并且在接收端手动拼装

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2.7 UDP在内核中的实现

如何进行数据拼接？只需要用udphdr定义变量，在和数据进行拼接即可。(比如memcopy)

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2.8 16位的UDP校验原理

结论：发送方进行填充，接收方进行校验

对接收方：进行校验

• 如果校验成功(对所有16个比特位相加和全为1)，会将数据交给应用层
• 如果校验失败，即使数据已经到达了接收方传输层的UDP协议，也会被丢弃，有可能在传输的过程中失真
  
  

对发送方：发送填充

• 将除了校验的16位比特位，其余的按照16个比特位相加，在相加的过程中如果出现比特位超过16位的情况需要进行回卷
• 回卷的策略：最高位+低16位 计算出来的新值
• 加完的结果进行反码运算
• 将反码运算的结果放到16位的校验和当中