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传输层协议UDP

news 来源：原创 2025/7/6 23:32:30

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 );

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。
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 端口

执行下面的命令, 可以看到知名端口号

cat /etc/services

我们自己写一个程序使用端口号时, 要避开这些知名端口号.

两个问题

一个进程是否可以 bind 多个端口号?

一个进程可以绑定多个端口号。以下是详细的解释：

1. 技术实现原理：

Socket 独立性：每个网络连接通过套接字（Socket）管理，套接字由 IP 地址和端口号唯一标识。一个进程可以创建多个套接字，每个套接字独立绑定到不同的端口。

多路复用：通过多线程、多进程或异步 I/O（如 select、epoll）技术，进程可以同时监听多个端口的连接请求，处理并发通信。

2. 实际应用场景：

多协议支持：例如 Web 服务器同时监听 HTTP（80 端口）和 HTTPS（443 端口）。

服务分离：同一进程提供不同功能的服务（如 API 接口和管理后台使用不同端口）。

负载均衡与代理：反向代理服务器（如 Nginx）可能监听多个端口，将流量分发到不同后端服务。

一个端口号是否可以被多个进程 bind?

1. 默认情况：端口独占性

在 默认配置 下，一个端口号（同一协议和 IP 地址）不允许被多个进程同时绑定。这是因为：

端口是网络通信的入口，操作系统需确保数据包能被正确路由到目标进程。

如果多个进程尝试绑定同一端口，操作系统会抛出 Address already in use 错误（如 bind() 失败）。

2. 允许绑定同一端口的条件

在以下场景中，多个进程可以绑定到同一端口：

(1) 不同协议

同一端口可以被 TCP 和 UDP 协议 的套接字同时绑定。

示例：DNS 服务器通常同时监听 TCP 和 UDP 的 53 端口。

(2) 不同 IP 地址

如果进程绑定到不同的 IP 地址（如多个网卡或多宿主主机），同一端口可被重复使用。

(3) 使用套接字选项 SO_REUSEADDR 或 SO_REUSEPORT

SO_REUSEADDR：

允许同一端口的套接字在特定条件下被重用（如原套接字已关闭或处于 TIME_WAIT 状态）。

主要用于快速重启服务时避免端口占用冲突。

SO_REUSEPORT（Linux 3.9+ 支持）：

允许多个进程直接绑定到 相同的 IP 地址和端口。

操作系统内核会负责将连接请求负载均衡到不同进程。

应用场景：Nginx 多进程模型、高并发服务器优化。

UDP 协议

UDP 协议端格式

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。

UDP 的特点

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;

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. 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 socket 既能读, 也能写, 这个概念叫做 全双工 。

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 )。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

当然 , 也包括你自己写 UDP 程序时自定义的应用层协议。

本篇文章介绍了传输层协议UDP 的相关内容,欢迎评论和交流！

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