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【计算机网络-传输层】传输层协议-UDP

news 来源：原创 2025/8/16 9:10:59

📚 博主的专栏

🐧 Linux | 🖥️ C++ | 📊 数据结构 | 💡C++ 算法 | 🅒 C 语言 | 🌐 计算机网络

上篇文章：HTTP服务器实现

下篇文章：传输层协议-TCP

摘要：
本文系统探讨传输层核心概念，重点解析端口号的作用与分类，涵盖知名端口号的绑定规则、进程与端口号的映射机制，以及一个端口号不可多进程绑定的底层原理。深入剖析UDP协议的结构化数据特性，详解其无连接、不可靠及面向数据报的核心特点，并分析UDP缓冲区设计与数据传输限制。结合操作系统实现，阐述报文封装/解包流程及sk_buff结构对网络报文的管理逻辑，列举基于UDP的应用层协议（如DNS、TFTP）。文章通过理论与命令示例结合，帮助读者构建对传输层协议栈的全面认知，理解数据从应用层到网络层的完整传递机制。

传输层

再谈端口号

端口号范围划分

认识知名端口号(Well-Know Port Number)

一个进程可以绑定多个端口号，一个端口号一般不可以被多个进程bind

如何理解端口号和进程之间的关系？

UDP协议：本质是一个结构化数据

UDP 的特点

面向数据报

UDP 使用注意事项

基于UDP的应用层协议

进一步深刻理解：封装和解包、报文向上交付和向下传递！！

在OS内部我们需要建立这样的认识：

传输层

负责数据能够从发送端传输接收端.

再谈端口号

端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序;

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

pupu@VM-8-15-ubuntu:~/computer-network/class_59_传输层$ netstat -nltp
(Not all processes could be identified, non-owned process infowill not be shown, you would have to be root to see it all.)
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name    
tcp        0      0 127.0.0.1:33060         0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 0.0.0.0:22              0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 127.0.0.1:3306          0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 127.0.0.1:6010          0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 127.0.0.53:53           0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp6       0      0 ::1:6010                :::*                    LISTEN      -                   
tcp6       0      0 :::22                   :::*                    LISTEN      -

端口号范围划分

• 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.（必须使用sudo更高权限才能绑）端口号和他对应的服务是强关联的。

• 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

认识知名端口号(Well-Know Port Number)

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

• ftp 服务器, 使用 21 端口

• telnet 服务器, 使用 23 端口

• http 服务器, 使用 80 端口

• https 服务器, 使用 443

执行下面的命令, 可以看到知名端口号：

cat /etc/services

# Network services, Internet style
#
# Updated from https://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xhtml .
#
# New ports will be added on request if they have been officially assigned
# by IANA and used in the real-world or are needed by a debian package.
# If you need a huge list of used numbers please install the nmap package.tcpmux		1/tcp				# TCP port service multiplexer
echo		7/tcp
echo		7/udp
discard		9/tcp		sink null
discard		9/udp		sink null
systat		11/tcp		users
daytime		13/tcp
daytime		13/udp
netstat		15/tcp
qotd		17/tcp		quote
chargen		19/tcp		ttytst source
chargen		19/udp		ttytst source
ftp-data	20/tcp
ftp		21/tcp
fsp		21/udp		fspd
ssh		22/tcp				# SSH Remote Login Protocol
telnet		23/tcp
smtp		25/tcp		mail
time		37/tcp		timserver
time		37/udp		timserver
whois		43/tcp		nicname
tacacs		49/tcp				# Login Host Protocol (TACACS)
tacacs		49/udp
domain		53/tcp				# Domain Name Server
。
。
。
。

一个进程可以绑定多个端口号，一个端口号一般不可以被多个进程bind

一个进程可以绑定多个端口号吗? 可以！

请理解：我们要的是从端口号到服务的唯一性，比如说TCP我们可以创建多个套接字，每个链接用的是不同的端口号。一个服务器在将来也可以建两个套接字一个用来发送数据，一个用来发送控制命令。

一个端口号是否可以被多个进程bind? 原则上一般不可以

我们要的是从端口号到服务的唯一性

如何理解端口号和进程之间的关系？

每一个进程都有一个struct task_struct的结构体，而在我们我的操作系统内部实际上会存在着一个hashtable，在这个hashtable当中key就是我们的端口号，而value就是进程

因此bind这个操作就是将进程pcb地址和端口号构建出hash的映射关系，当底层传入了数据，传输的数据的报文当中一定携带端口号，再通过端口号如果是目的端口号，以正向的方式向哈希表中查表，找到进程，将数据交给进程，再通过文件描述符表，将数据从fd读到数据交给应用层。因此一个端口号只能被一个进程绑定，因为key值是唯一的。一个进程可以有多个端口号，从不同的端口号正向的去查找可以找到唯一的这个进程，但是如果一个端口号绑定两个进程，通过key值去查找的时候，无法判定是查找哪个进程，因此一个端口号只能绑定一个进程

UDP协议：本质是一个结构化数据

UDP报头是一个结构体，这就意味着，报头里面的每一个字段都是结构体当中的某一个属性。

struct udrhdr
{_be16 source;_be16 dest;_be16 len;_sum16 check;
}

• 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。

任何协议都有两个问题：

1.如何将报头和有效载荷进行分离（封装）。前8个字节就是报头，用16 位 UDP 长度来确定有效载荷的大小。

2.如何将有效载荷进行分离。根据目的端口号，找到应用层的对应进程，将数据给上层的进程。

UDP 的特点

UDP 传输的过程类似于寄信.

• 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（TCP是面向数据流）: 不能够灵活的控制读写数据的次数和数量;报文之间边界是明确的，不需要我们来做独立的分离。直接做序列化和反序列化。

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

UDP 的缓冲区

• UDP 没有真正意义上的发送缓冲区. 调用 sendto 会直接（从应用层）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;

• UDP 具有接收缓冲区（保证报文不会被大面积被丢包）直接从下层将数据就传到应用层的接收缓冲区；. 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。

udp的套接字socket也是既能读又能写，全双工的。

注意：为什么udp没有真正意义上的发送缓冲器？这是因为udp不具有可靠性，不需要丢包重传，只需要添加报头再发出去，因此不需要保存在缓冲区，而是直接发。

UDP 使用注意事项

我们注意到, UDP 协议首部中有一个 16 位的最大长度. 也就是说一个 UDP 能传输的数据最大长度是 64K(包含 UDP 首部).如果超过654K，使用sendto就会失败，（每种OS不一样）有可能发一部分。

r然而 64K 在当今的互联网环境下, 是一个非常小的数字.

如果我们需要传输的数据超过 64K, 就需要在应用层手动的分包, 多次发送, 并在接收端手动拼装

基于UDP的应用层协议

• NFS: 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，把IP地址转化成字符串

进一步深刻理解：封装和解包、报文向上交付和向下传递！！

将来我们所要发送的是结构体变量（值写好的），因此之后直接使用结构体指针访问到每一个属性值。

1.将来的客户端（其他语言）和服务器(用C++\C语言写的)设备可能完全不一样，结构化字段类型的的长度都不一样，另外还有大小端，内存对齐等问题，在应用层的差别比较大。而在内核因为没有业务（纯技术话题）就可以这么使用，能这么做的前提：没有任何新的字段，保证在报文发送时不会增加网络发送量，双方OS，任何OS都是C语言写的，网络序列都是固定的，考虑清楚大小端序列，转化成网络序列，结构体就不会出错。OS大家的标准化程度做的较高，使用的都是C语言，都需要将网络序列化转成大端序列，报文的格式大家都认识，因此网络协议一般发的就是结构体对象，这一般就叫做二进制流的序列化和反序列化。

在OS内部我们需要建立这样的认识：

在OS内部，在同一时间点，会同时存在收到大量的报文，正在被向上交付，也正在被向下交付。

因此OS会对各种报文进行管理，因此在OS通过先描述再组织的方式对报文进行管理。因此一个完整的报文不仅仅是有对应的报头和有效载荷，还有描述报文的结构体，在OS中叫做struct sk_buff。

在struct sk_buff内部：

指针：char *head，char *data.....

结构体指针：struct sk_buff *sk;

在传输层，会给每一个报文都形成一个缓冲区，缓冲区特点，不是从头开始访问的，而是在偏中间的位置，通过char *head，char *data，这两个指针，指向同一个位置，当在应用层要拷贝数据过来的时候，会将数据拷贝到后半部分。

struct udrhdr
{_be16 source;_be16 dest;_be16 len;_sum16 check;
}

udp报头的添加：在缓冲区中，以data作为开始向后拷贝正文部分数据，添加报头的时候，让data不要动，给报头添加信息，head向前移动udp字段信息个字节，每次添加head指针就向前移动，最后head向前移动udp信息个字节。最后再将buffer->header强转成指针类型(struct udrhdr*)(buffer->header)如图：

系统中具有多个报文，也存在多个sk_buffer，最后对报文的管理就变成了，只需要把sk_buff用指针链接起来（双链表），最后只要能找到链表的头，就能知道整个所有的报文，因此对报文的管理就转化成了对链表的增删查改。交付给下一层就是把数据结构交给下一层。

对于报文的解包：就是找到对应的sk_buff之后，使用header依次向后加，就能够解包。因此最后在协议栈中流动的就是结构体对象。通过传参来层级处理。

结语：

随着这篇博客接近尾声，我衷心希望我所分享的内容能为你带来一些启发和帮助。学习和理解的过程往往充满挑战，但正是这些挑战让我们不断成长和进步。我在准备这篇文章时，也深刻体会到了学习与分享的乐趣。

在此，我要特别感谢每一位阅读到这里的你。是你的关注和支持，给予了我持续写作和分享的动力。我深知，无论我在某个领域有多少见解，都离不开大家的鼓励与指正。因此，如果你在阅读过程中有任何疑问、建议或是发现了文章中的不足之处，都欢迎你慷慨赐教。

你的每一条反馈都是我前进路上的宝贵财富。同时，我也非常期待能够得到你的点赞、收藏，关注这将是对我莫大的支持和鼓励。当然，我更期待的是能够持续为你带来有价值的内容。

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编程日记 2025/8/15 15:09:05

深入解析进程间通信与Socket原理：从理论到TypeScript实战

文章目录一、进程中如何通信1.1 管道1.1.1 核心特性1.1.2 缺点1.1.3 匿名管道与命名管道的对比 1.2 信号1.2.1 核心特性1.2.2 缺点1.2.3 信号分类对比 1.3 消息队列1.3.1 核心特性1.3.2 缺点 1.4 共享内存1.4.1 核心特性1.4.2 缺点 1.5 信号量1.5.1 核心特性1.5.2 缺点二、So…...

编程日记 2025/8/16 10:49:24

[特殊字符] Milvus + LLM大模型：打造智能电影知识库系统

今天给大家分享一个超酷的技术组合：Milvus向量数据库智谱AI大模型！我们将创建一个能理解电影内容的智能搜索系统，不仅能找到相关电影，还能用自然语言总结答案！ 🌟 项目背景这个项目基于Milvus官方案例…...

编程日记 2025/8/16 10:49:21

MapReduce架构-打包运行

（一）maven打包 MapReduce是一个分布式运算程序的编程框架，是用户开发“基于Hadoop的数据分析应用”的核心框架。 MapReduce核心功能是将用户编写的业务逻辑代码和自带默认组件整合成一个完整的分布式运算程序（例如：jar…...

编程日记 2025/8/16 10:49:19

信创生态核心技术栈：国产芯片架构适配详解

🧑 博主简介：CSDN博客专家、CSDN平台优质创作者，高级开发工程师，数学专业，10年以上C/C, C#, Java等多种编程语言开发经验，拥有高级工程师证书；擅长C/C、C#等开发语言，熟悉Java常用开…...

编程日记 2025/8/16 10:49:17

BBDM学习笔记

1. configs 1.1 LBBDM: Latent BBDM [readme]...

编程日记 2025/8/16 10:49:15

6. HTML 锚点链接与页面导航

在开发长页面或文档类网站时，锚点链接（Anchor Links）是一个非常实用的功能。通过学习 HTML 锚点技术，将会掌握如何在同一页面内实现快速跳转，以及如何优化长页面的导航体验。以下是基于给定素材的学习总结和实践心得一、什么是锚点链接？锚点链接（也称为页面内链接）允…...

编程日记 2025/8/16 10:49:13

绘制拖拽html

<!DOCTYPE html> <html lang"zh-CN"> <head> <meta charset"UTF-8" /> <meta name"viewport" content"widthdevice-width, initial-scale1" /> <title>拖拽绘制矩形框 - 可移动可调整大小</ti…...

编程日记 2025/8/16 10:49:11

OpenCV计算机视觉实战（3）——计算机图像处理基础

OpenCV计算机视觉实战（3）——计算机图像处理基础 0. 前言1. 像素和图像表示1.1 像素 2. 色彩空间2.1 原色2.2 色彩空间2.3 像素和色彩空间 3. 文件类型3.1 图像文件类型3.2 视频文件3.3 图像与视频 4. 计算机图像编程简史5. OpenCV 概述小结系列链接 0. …...

编程日记 2025/8/16 10:49:09