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linux對(duì)于UDP的學(xué)習(xí)

更新時(shí)間：2021年08月23日 17:05:52 作者：_YKitty

本文將學(xué)習(xí)linux對(duì)于UDP的學(xué)習(xí)，UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）沒有連接的，是面向數(shù)據(jù)報(bào)的，是不可靠，點(diǎn)進(jìn)來的小伙伴一起來學(xué)習(xí)吧

一、UDP、linux基礎(chǔ)介紹

套接字：就是IP地址+端口號(hào)

IP地址：4字節(jié)
端口號(hào)：2字節(jié)，也就是說范圍是0~65535
端口號(hào)分為：知名端口號(hào)、一些固定的端口號(hào)
知名端口號(hào)
0--1023：http，ssh，ftp，telnet等一些協(xié)議端口號(hào)都是固定的，對(duì)于操作系統(tǒng)來說是不能對(duì)其進(jìn)行分配的

一些固定的端口號(hào)

ssh服務(wù)器，使用22端口
ftp服務(wù)器，使用21端口
telnet服務(wù)器，使用23端口
http服務(wù)器，使用80端口
https服務(wù)器，使用443端口
操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配的端口號(hào)
客戶端服務(wù)器的端口號(hào)，這個(gè)范圍的端口號(hào)操作系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行分配

查看端口號(hào)

less /etc/services
 //就可以查看Linux下所有的端口號(hào)了

IP地址的理解：
IP地址用來標(biāo)識(shí)一個(gè)主機(jī)

端口號(hào)的理解：
端口號(hào)就是用來告訴操作系統(tǒng)要對(duì)于那一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行操作，也就是說端口號(hào)就是用來標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程
一個(gè)端口號(hào)只可被一個(gè)進(jìn)程所占用，但是一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)端口號(hào)，也就是進(jìn)程和端口號(hào)是一對(duì)多的關(guān)系
當(dāng)我們寫一個(gè)程序使用端口號(hào)的時(shí)候，要避開這些知名端口號(hào)

【問題】

（1）一個(gè)進(jìn)程是否可以bind多個(gè)端口號(hào)呢？
可以，因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程可以打開多個(gè)文件描述符，而每一個(gè)文件描述符都對(duì)應(yīng)著一個(gè)端口號(hào)，所以一個(gè)進(jìn)程可以綁定多個(gè)端口號(hào)

（2）一個(gè)端口號(hào)是否可以被多個(gè)進(jìn)程bind？
不可以
如果一個(gè)進(jìn)程先綁定一個(gè)端口號(hào)，然后再fork一個(gè)子進(jìn)程，這樣的話就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)進(jìn)程綁定一個(gè)端口號(hào)，但是不同的進(jìn)程綁定同一個(gè)端口號(hào)是不可以的
TIME_WAIT狀態(tài)，服務(wù)器不能立即重啟也說明不用進(jìn)程不能同時(shí)綁定同一個(gè)端口號(hào)

（3）多個(gè)進(jìn)程可以監(jiān)聽同一個(gè)端口號(hào)嗎？
可以。監(jiān)聽之前要進(jìn)行創(chuàng)建套接字->綁定ip::端口號(hào)->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(xiàng)，其中就包括REUSEADDR這個(gè)選項(xiàng)，表明多個(gè)進(jìn)程可以復(fù)用bind函數(shù)中指定的地址和端口號(hào)
所以套接字就可以準(zhǔn)確的標(biāo)識(shí)一臺(tái)主機(jī)上的一個(gè)進(jìn)程，從而完成計(jì)算機(jī)之間的通信（主機(jī)A的某個(gè)進(jìn)程與主機(jī)B上的另一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信
）

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)換：
對(duì)于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候有著自己遵循的傳輸規(guī)則大端傳輸
對(duì)于主機(jī)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(duì)于主機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上的時(shí)候有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（例如主機(jī)上是小端的時(shí)候，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換）

轉(zhuǎn)換函數(shù)：

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(jī)host name
n：表示網(wǎng)絡(luò)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?yàn)樵摵瘮?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

16為UDP長(zhǎng)度，表示整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)（UDP首部+UDP數(shù)據(jù)）的最大長(zhǎng)度（64KB）
檢驗(yàn)和：如果校驗(yàn)和出錯(cuò)，就會(huì)直接丟棄（檢驗(yàn)的是把首部和數(shù)據(jù)部分一起都檢驗(yàn)）
校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計(jì)算得出，在傳遞到接收方之后，還要在重新計(jì)算。如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)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(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符，由此UDP協(xié)議可以檢驗(yàn)是否出錯(cuò)。
源端口號(hào)：在對(duì)方回信是選用，不需要時(shí)可用全0
目的端口號(hào)：在終點(diǎn)交付報(bào)時(shí)必須要用到
長(zhǎng)度：UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度，其最小值是8（僅有首部）

UDP的特點(diǎn)：

無連接：直到對(duì)端的IP和端口號(hào)就直接進(jìn)行傳輸，不需要建立連接
不可靠：沒有確認(rèn)機(jī)制，沒有重傳機(jī)制；因?yàn)闆]有網(wǎng)絡(luò)故障該段無法發(fā)送到對(duì)方，UDP協(xié)議層也不會(huì)給應(yīng)用層返回任何錯(cuò)誤信息
面向數(shù)據(jù)報(bào)：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(xiàng)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(bào)
應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP原樣發(fā)送，既不會(huì)拆分也不會(huì)合并

例：用UDP傳輸100個(gè)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(gè)字節(jié)。那么接收端也必須調(diào)用對(duì)應(yīng)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(gè)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(huì)直接交給內(nèi)核，由內(nèi)核·將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行后續(xù)的傳輸動(dòng)作。因?yàn)閁DP是不面向連接的，所以沒有重發(fā)機(jī)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(jìn)行重傳做準(zhǔn)備
UDP具有接收緩存區(qū)。但是這個(gè)接收緩存區(qū)不能保證收到的UDP報(bào)的順序和發(fā)送UDP報(bào)的順序一致；如果緩存區(qū)滿了，在到達(dá)的UDP數(shù)據(jù)就會(huì)被丟棄
UDP的Socket既能讀，也能寫，全雙工

UDP的使用注意事項(xiàng)：
UDP協(xié)議首部中有一個(gè)16位的最大長(zhǎng)度，也就是說一個(gè)UDP能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度是64K（包含UDP首部）。但是64K在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，是一個(gè)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(yīng)用層手動(dòng)的分包，多次發(fā)送，并在接收端拼裝
UDP首部中校驗(yàn)和的計(jì)算方法有些特殊。在計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)，要在UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)之前增加12個(gè)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(jì)算校驗(yàn)和
與IP數(shù)據(jù)報(bào)的校驗(yàn)和只檢驗(yàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部不同，UDP的校驗(yàn)和是把首部和數(shù)據(jù)部分一起都檢驗(yàn)

偽首部：

基于UDP的應(yīng)用層的協(xié)議：

NFS：網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)
TFTP：簡(jiǎn)單文件傳輸文件協(xié)議
DHCP：動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議
DNS：域名解析協(xié)議

用UDP實(shí)現(xiàn)可靠傳輸？

參考TCP的可靠性機(jī)制，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)類似的邏輯
引用序列號(hào)，保證數(shù)據(jù)順序
引入確認(rèn)應(yīng)答，確保對(duì)端收到了數(shù)據(jù)
引入超時(shí)重傳，如果隔一段時(shí)間沒有應(yīng)答，就重發(fā)數(shù)據(jù)

二、對(duì)于各函數(shù)使用

1、對(duì)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(gè)未被綁定的套接字，并且返回一個(gè)文件描述符，可以在以后對(duì)套接字進(jìn)行操作的函數(shù)調(diào)用中使用

2、對(duì)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(duì)于IP地址以及端口號(hào)進(jìn)行綁定，也就是表示該套接字可以標(biāo)識(shí)出在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)確定的主機(jī)并且主機(jī)中的進(jìn)程

3、對(duì)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(gè)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(zhǎng)度
flags：類型
address：空指針或者存儲(chǔ)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(zhǎng)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(duì)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

三、擴(kuò)展知識(shí)

1、 netstat

netstat是一個(gè)用來監(jiān)控TCP/IP網(wǎng)絡(luò)非重要工具
語(yǔ)法：netstat [選項(xiàng)]
功能：查看網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

選項(xiàng)：
-a，顯示所有連線的Socket
-c，持續(xù)列出網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)
-n，直接使用ip地址，而不通過域名服務(wù)器，也就是顯示為數(shù)字
-l，顯示監(jiān)控中的服務(wù)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(shí)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(luò)工作信息統(tǒng)計(jì)表
-h，在線幫助