Linux| |對于UDP的學(xué)習(xí)

UDP

# 前序

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

# 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(jìn)行分配的

  • 一些固定的端口號

  1. ssh服務(wù)器，使用22端口

  2. ftp服務(wù)器，使用21端口

  3. telnet服務(wù)器，使用23端口

  4. http服務(wù)器，使用80端口

  5. https服務(wù)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(wù)器的端口號，這個范圍的端口號操作系統(tǒng)可以對其進(jìn)行分配

• 查看端口號

• 1.  
     less /etc/services
  2.  
     //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(biāo)識一個主機(jī)

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(jìn)程進(jìn)行操作，也就是說端口號就是用來標(biāo)識一個進(jìn)程

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

• 當(dāng)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】

1. 一個進(jìn)程是否可以bind多個端口號呢？

   • 可以，因?yàn)橐粋€進(jìn)程可以打開多個文件描述符，而每一個文件描述符都對應(yīng)著一個端口號，所以一個進(jìn)程可以綁定多個端口號

2. 一個端口號是否可以被多個進(jìn)程bind？

   • 不可以

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

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

3. 多個進(jìn)程可以監(jiān)聽同一個端口號嗎？

   • 可以。監(jiān)聽之前要進(jìn)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(xiàng)，其中就包括REUSEADDR這個選項(xiàng)，表明多個進(jìn)程可以復(fù)用bind函數(shù)中指定的地址和端口號

所以套接字就可以準(zhǔn)確的標(biāo)識一臺主機(jī)上的一個進(jìn)程，從而完成計(jì)算機(jī)之間的通信

計(jì)算機(jī)之間的通信：

• 主機(jī)A的某個進(jìn)程與主機(jī)B上的另一個進(jìn)程進(jìn)行通信

# 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)換

對于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)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(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)

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

轉(zhuǎn)換函數(shù)：

1.  
   #include <arpa/inet.h>
2.  
   ?
3.  
   uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
4.  
   uint16_t htons(uint16 hostshort);
5.  
   uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
6.  
   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

插圖：UDP協(xié)議端格式

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

• 檢驗(yàn)和：如果校驗(yàn)和出錯，就會直接丟棄（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)算值將不會相符，由此UDP協(xié)議可以檢驗(yàn)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(diǎn)交付報(bào)時必須要用到

• 長度：UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)的長度，其最小值是8（僅有首部）

UDP的特點(diǎn)

• 無連接：直到對端的IP和端口號就直接進(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)送到對方，UDP協(xié)議層也不會給應(yīng)用層返回任何錯誤信息

• 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多長的報(bào)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(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(luò)層協(xié)議進(jìn)行后續(xù)的傳輸動作。因?yàn)?strong>UDP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(dāng)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(yīng)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(yàn)和的計(jì)算方法有些特殊。在計(jì)算校驗(yàn)和時，要在UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(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：

插圖：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：簡單文件傳輸文件協(xié)議

• DHCP：動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議

• DNS：域名解析協(xié)議

面試題：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，保證數(shù)據(jù)順序

• 引入確認(rèn)應(yīng)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(yīng)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

1.  
   int socket(int domain, int type, int protocol);
2.  
   ?
3.  
   domain: 領(lǐng)域
4.  
   AF_INET：IPV4
5.  
   AF_INET6：IPV6
6.  
   type: 類型
7.  
   SOCK_STREAM
8.  
   SOCK_DGARM
9.  
   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(jìn)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(jìn)行綁定，也就是表示該套接字可以標(biāo)識出在一個網(wǎng)絡(luò)中一臺確定的主機(jī)并且主機(jī)中的進(jìn)程

3. 對于recvfrom函數(shù)的使用

3.1 函數(shù)原型

1.  
   ssize_t recvfrom(int socket, void* restrict buffer, size_t length,
2.  
                   int flags, struct sockaddr* restrict address,
3.  
                  socklen_t* restrict address_len);
4.  
   ?
5.  
   socket：要接受那一個套接字的消息
6.  
   buffer：用來接收消息的緩存區(qū)
7.  
   length：接收的消息的長度
8.  
   flags：類型
9.  
   address：空指針或者存儲發(fā)送信息的sockaddr結(jié)構(gòu)
10.  
    addless_len：指定地址參數(shù)指向的sockaddr結(jié)構(gòu)的長度
11.  
    3.2 函數(shù)的作用

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

1.  
   ssize_t recvfrom(int socket, const void* message, size_t length,
2.  
                   int flags, const struct sockaddr* dest_addr,
3.  
                  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(kuò)展知識

5.1 netstat

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

語法：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

5.2 pidof

查看服務(wù)器進(jìn)程id是非常方面

語法：pisdof [進(jìn)程名]

功能：通過進(jìn)程名，查看進(jìn)程id

5.3 scp命令

基于ssh登錄進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)安全的遠(yuǎn)程文件拷貝命令

例：要將自己當(dāng)前路徑下的clinet文件發(fā)送到主機(jī)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(jī)禁用：systemctl disable firewalld

• 開機(jī)啟用：systemctl enable firewalld

# 對于UDP書寫服務(wù)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(jì)算機(jī)的進(jìn)程之間通信，所以是不需要兩臺計(jì)算機(jī)之間的進(jìn)程進(jìn)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(shí)現(xiàn)本地通信

  • 服務(wù)器

    • 只需要服務(wù)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(jìn)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(jì)算機(jī)的兩個進(jìn)程進(jìn)程通信，而綁定端口號是為了綁定一個進(jìn)程，是為了對于客戶端進(jìn)行發(fā)送消息到服務(wù)器的時候，可以找到服務(wù)器

    • 然后就接受客戶端發(fā)來的消息

    • 對于客戶端的消息進(jìn)行處理然后就可以再次將處理后的消息進(jìn)行返回

    • 插圖：服務(wù)器流程

  • 客戶端

    • 綁定一個套接字

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

    • 客戶端只需要向服務(wù)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(jìn)行連接

    • 插圖：客戶端流程

• 實(shí)現(xiàn)處于同一局域網(wǎng)下的不同主機(jī)間進(jìn)行通信

  • 服務(wù)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(jì)算機(jī)的進(jìn)程就可以進(jìn)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(wù)器的ip和端口號就行了

# 對于UDP服務(wù)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(wù)器進(jìn)行發(fā)送

• 啟動服務(wù)器

  • 必須要給服務(wù)器綁定一個ip地址和端口號，也就是要注意該服務(wù)器處于該計(jì)算機(jī)上的哪一個進(jìn)程上