Linux關(guān)于UDP的學習詳細講解

前序

UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）沒有連接的，是面向數(shù)據(jù)報的，是不可靠

套接字

就是IP地址+端口號

IP地址：4字節(jié)

端口號：2字節(jié)，也就是說范圍是0~65535

端口號分為

知名端口號

0--1023：http，ssh，ftp，telnet等一些協(xié)議端口號都是固定的，對于操作系統(tǒng)來說是不能對其進行分配的

一些固定的端口號

ssh服務器，使用22端口

ftp服務器，使用21端口

telnet服務器，使用23端口

http服務器，使用80端口

https服務器，使用443端口

操作系統(tǒng)動態(tài)分配的端口號

客戶端服務器的端口號，這個范圍的端口號操作系統(tǒng)可以對其進行分配

查看端口號

less /etc/services

//就可以查看Linux下所有的端口號了

IP地址的理解：

IP地址用來標識一個主機

端口號的理解：

端口號就是用來告訴操作系統(tǒng)要對于那一個進程進行操作，也就是說端口號就是用來標識一個進程

一個端口號只可被一個進程所占用，但是一個進程可以擁有多個端口號，也就是進程和端口號是一對多的關(guān)系

當我們寫一個程序使用端口號的時候，要避開這些知名端口號

【問題】

一個進程是否可以bind多個端口號呢？

可以，因為一個進程可以打開多個文件描述符，而每一個文件描述符都對應著一個端口號，所以一個進程可以綁定多個端口號

一個端口號是否可以被多個進程bind？

不可以

如果一個進程先綁定一個端口號，然后再fork一個子進程，這樣的話就實現(xiàn)了多個進程綁定一個端口號，但是不同的進程綁定同一個端口號是不可以的

TIME_WAIT狀態(tài)，服務器不能立即重啟也說明不用進程不能同時綁定同一個端口號

多個進程可以監(jiān)聽同一個端口號嗎？

可以。監(jiān)聽之前要進行創(chuàng)建套接字-》綁定ip：：端口號-》監(jiān)聽。我們可以在bind之前使用setsockopt函數(shù)，設(shè)置套接字選項，其中就包括REUSEADDR這個選項，表明多個進程可以復用bind函數(shù)中指定的地址和端口號

所以套接字就可以準確的標識一臺主機上的一個進程，從而完成計算機之間的通信

計算機之間的通信：

主機A的某個進程與主機B上的另一個進程進行通信

網(wǎng)絡字節(jié)序轉(zhuǎn)換

對于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)臅r候有著自己遵循的傳輸規(guī)則大端傳輸

對于主機上的數(shù)據(jù)的傳輸序列有著兩種：

大端：即高位字節(jié)序放在低地址上

小端：即低位字節(jié)序放在低地址上

傳輸：均是先傳輸?shù)偷刂飞系臄?shù)據(jù)然后是高地址上的數(shù)據(jù)

所以對于主機上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上的時候有可能導致數(shù)據(jù)錯誤（例如主機上是小端的時候，所以需要進行轉(zhuǎn)換）

轉(zhuǎn)換函數(shù)：

#include 《arpa/inet.h》

uint32_t htonl（uint32_t hostlong）;

uint16_t htons（uint16 hostshort）;

uint32_t ntohl（uint32_t netlong）;

uint16_t ntohs（uint16_t netshort）;

h：表示主機host name

n：表示網(wǎng)絡network

l：表示4字節(jié)long

s：表示2字節(jié)short

地址轉(zhuǎn)換函數(shù)

字符串轉(zhuǎn)化為in_addr

in_addr_t inet_addr（const char* strptr）

in_addr轉(zhuǎn)化為字符串

char* inet_ntoa（struct in_addr inaddr）

具有不可重入性，也就是不可多次調(diào)用，因為該函數(shù)自己在靜態(tài)區(qū)開辟一塊空間用來存放IP地址字符串的

UDP協(xié)議

UDP協(xié)議端格式

插圖：UDP協(xié)議端格式

16為UDP長度，表示整個數(shù)據(jù)報（UDP首部+UDP數(shù)據(jù)）的最大長度（64KB）

檢驗和：如果校驗和出錯，就會直接丟棄（檢驗的是把首部和數(shù)據(jù)部分一起都檢驗）

校驗值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計算得出，在傳遞到接收方之后，還要在重新計算。如果某個數(shù)據(jù)報在傳輸過程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗計算值將不會相符，由此UDP協(xié)議可以檢驗是否出錯。

源端口號：在對方回信是選用，不需要時可用全0

目的端口號：在終點交付報時必須要用到

長度：UDP用戶數(shù)據(jù)報的長度，其最小值是8（僅有首部）

UDP的特點

無連接：直到對端的IP和端口號就直接進行傳輸，不需要建立連接

不可靠：沒有確認機制，沒有重傳機制；因為沒有網(wǎng)絡故障該段無法發(fā)送到對方，UDP協(xié)議層也不會給應用層返回任何錯誤信息

面向數(shù)據(jù)報：不能夠靈活的控制讀寫數(shù)據(jù)的次數(shù)和數(shù)量

控制選項較少，數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小，數(shù)據(jù)傳輸效率高

面向數(shù)據(jù)報

應用層交給UDP多長的報文，UDP原樣發(fā)送，既不會拆分也不會合并

例：用UDP傳輸100個字節(jié)的數(shù)據(jù)

如果發(fā)送端調(diào)用一次sendto，發(fā)送100個字節(jié)。那么接收端也必須調(diào)用對應的一次recvfrom，接收100字節(jié)；而不能循環(huán)調(diào)用10次recvfrom，每次發(fā)送10個字節(jié)

UDP的緩存區(qū)

UDP沒有發(fā)送緩存區(qū)，調(diào)用sendto之后會直接交給內(nèi)核，由內(nèi)核·將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡層協(xié)議進行后續(xù)的傳輸動作。因為UDP是不面向連接的，所以沒有重發(fā)機制，也就不需要發(fā)送緩存區(qū)將已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)保存下來為了發(fā)送失敗進行重傳做準備

UDP具有接收緩存區(qū)。但是這個接收緩存區(qū)不能保證收到的UDP報的順序和發(fā)送UDP報的順序一致；如果緩存區(qū)滿了，在到達的UDP數(shù)據(jù)就會被丟棄

UDP的Socket既能讀，也能寫，全雙工

UDP的使用注意事項

UDP協(xié)議首部中有一個16位的最大長度，也就是說一個UDP能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的最大長度是64K（包含UDP首部）。但是64K在當今的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，是一個非常小的數(shù)字。如果我們需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過64K，就需要應用層手動的分包，多次發(fā)送，并在接收端拼裝

UDP首部中校驗和的計算方法有些特殊。在計算校驗和時，要在UDP用戶數(shù)據(jù)報之前增加12個字節(jié)的偽首部

偽首部既不向下傳輸也不想上遞送，而僅僅是為了計算校驗和

與IP數(shù)據(jù)報的校驗和只檢驗IP數(shù)據(jù)報的首部不同，UDP的校驗和是把首部和數(shù)據(jù)部分一起都檢驗

偽首部：

插圖：偽首部

基于UDP的應用層的協(xié)議

NFS：網(wǎng)絡文件系統(tǒng)

TFTP：簡單文件傳輸文件協(xié)議

DHCP：動態(tài)主機配置協(xié)議

DNS：域名解析協(xié)議

面試題：用UDP實現(xiàn)可靠傳輸？

參考TCP的可靠性機制，在應用層實現(xiàn)類似的邏輯

引用序列號，保證數(shù)據(jù)順序

引入確認應答，確保對端收到了數(shù)據(jù)

引入超時重傳，如果隔一段時間沒有應答，就重發(fā)數(shù)據(jù)

1. 對于socket函數(shù)的使用

1.1 函數(shù)原型

int socket（int domain， int type， int protocol）;

domain： 領(lǐng)域

AF_INET：IPV4

AF_INET6：IPV6

type： 類型

SOCK_STREAM

SOCK_DGARM

protocol： 協(xié)議

1.2 函數(shù)的作用

在通信領(lǐng)域中創(chuàng)建一個未被綁定的套接字，并且返回一個文件描述符，可以在以后對套接字進行操作的函數(shù)調(diào)用中使用

2. 對于bind函數(shù)的使用

2.1 函數(shù)原型

int bind（int socket， const struct sockaddr* address， socklen_t address_len）;

2.2. 函數(shù)的作用

該函數(shù)采用先前創(chuàng)建好的套接字來對于IP地址以及端口號進行綁定，也就是表示該套接字可以標識出在一個網(wǎng)絡中一臺確定的主機并且主機中的進程

3. 對于recvfrom函數(shù)的使用

3.1 函數(shù)原型

ssize_t recvfrom（int socket， void* restrict buffer， size_t length，

int flags， struct sockaddr* restrict address，

socklen_t* restrict address_len）;

socket：要接受那一個套接字的消息

buffer：用來接收消息的緩存區(qū)

length：接收的消息的長度

flags：類型

address：空指針或者存儲發(fā)送信息的sockaddr結(jié)構(gòu)

addless_len：指定地址參數(shù)指向的sockaddr結(jié)構(gòu)的長度

3.2 函數(shù)的作用

用來接收從socket套接字發(fā)送來的消息。該套接字的sockaddr結(jié)構(gòu)也知道

4. 對于sendto函數(shù)的使用

4.1 函數(shù)原型

ssize_t recvfrom（int socket， const void* message， size_t length，

int flags， const struct sockaddr* dest_addr，

socklen_t* dest_len）;

4.2 函數(shù)的作用

該函數(shù)是socket套接字從dest_addr出接收消息

5. 擴展知識

5.1 netstat

netstat是一個用來監(jiān)控TCP/IP網(wǎng)絡非重要工具

語法：netstat ［選項］

功能：查看網(wǎng)絡狀態(tài)

選項：

-a，顯示所有連線的Socket

-c，持續(xù)列出網(wǎng)絡狀態(tài)

-n，直接使用ip地址，而不通過域名服務器，也就是顯示為數(shù)字

-l，顯示監(jiān)控中的服務器的Socket，僅列出監(jiān)聽（Listen）狀態(tài)下的Socket

-p，顯示正在使用Socket的程序的識別碼和名稱（PID/Program name）

-t，顯示TCP傳輸協(xié)議的連線狀況

-u，顯示UDP傳輸協(xié)議的連線狀況

-v，顯示指令執(zhí)行過程

-V，顯示版本信息

-x，顯示UNIX傳輸協(xié)議的連線狀況

-s，顯示網(wǎng)絡工作信息統(tǒng)計表

-h，在線幫助

5.2 pidof

查看服務器進程id是非常方面

語法：pisdof ［進程名］

功能：通過進程名，查看進程id

5.3 scp命令

基于ssh登錄進行的網(wǎng)絡安全的遠程文件拷貝命令

例：要將自己當前路徑下的clinet文件發(fā)送到主機IP為192.168.153.140的home目錄下

scp 。/clinet root@192.168.153.140:/home

5.4 關(guān)于防火墻的命令

啟動：systemctl start firewalld

關(guān)閉：systemctl stop firewalld

查看狀態(tài)：systemctl status firewalld

開機禁用：systemctl disable firewalld

開機啟用：systemctl enable firewalld

# 對于UDP書寫服務器的思路

由于UDP是無連接的，所以對于兩個處于同一局域網(wǎng)下計算機的進程之間通信，所以是不需要兩臺計算機之間的進程進行連接的，對于UDP使用的接口是需要包含知道從哪里接收消息的，要發(fā)送消息到哪里的。

實現(xiàn)本地通信

服務器

只需要服務器創(chuàng)建一個套接字

使該套接字對于本地地址（127.0.0.1）進行綁定，并且綁定一個端口號（1024--65535）就行了

綁定本地地址是為了對于本地計算機的兩個進程進程通信，而綁定端口號是為了綁定一個進程，是為了對于客戶端進行發(fā)送消息到服務器的時候，可以找到服務器

然后就接受客戶端發(fā)來的消息

對于客戶端的消息進行處理然后就可以再次將處理后的消息進行返回

插圖：服務器流程

客戶端

綁定一個套接字

為了綁定一個進程，可以和服務器進行通信，將消息發(fā)送過去的時候要讓服務器知道是哪一個進程再和他進程通信

客戶端只需要向服務器發(fā)送消息

然后再次從客戶端接收消息就好了，不需要考慮要進行連接

插圖：客戶端流程

實現(xiàn)處于同一局域網(wǎng)下的不同主機間進行通信

服務器

和本地通信的一致，只是對于套接字綁定的ip地址不一樣了

也對于套接字要綁定該局域網(wǎng)的ip地址以及一個端口號，不需要在綁定本地地址（127.0.0.1）了

這樣的話處于同一局域網(wǎng)下的計算機的進程就可以進行通信了

客戶端

對于客戶端來說沒有任何改變，仍然是只需要知道服務器的ip和端口號就行了

對于UDP服務器要注意的問題

啟動客戶端

啟動客戶端的時候必須給客戶端輸入一個ip地址和端口號，這個ip地址和端口號也就是要知道客戶端要發(fā)送消息給哪一個服務器進行發(fā)送

啟動服務器

必須要給服務器綁定一個ip地址和端口號，也就是要注意該服務器處于該計算機上的哪一個進程上
編輯：lyn