Linux --传输层协议 UDP

传输层是干什么的？

传输层位于网络层之上、应用层之下，核心任务只有一个：

负责把数据从发送端传输到接收端。

网络层（IP）负责把数据送到目标主机，但主机上可能同时运行着很多程序（浏览器、QQ、微信、游戏……），传输层要解决的是：

数据到了主机之后，到底交给哪个应用程序？

这就引出了“端口号”的概念。

端口号：一台主机上不同应用的“门牌号”

1. 什么是端口号？

端口号（Port）用来标识一台主机上进行通信的不同应用程序。

举个例子：你的电脑上同时开着：

• FTP 服务器（端口 21）

• SSH 服务器（端口 22）

• SMTP 服务器（端口 25）

• HTTP 服务器（端口 80）

• FTP 客户端（端口 2000）

• HTTP 客户端（端口 2001）

当数据到达你的主机时，传输层会根据目的端口号决定把数据交给哪个程序处理。

2. 五元组标识一个通信

在 TCP/IP 协议中，一个通信由以下五个元素唯一标识：

• 源 IP

• 源端口号

• 目的 IP

• 目的端口号

• 协议号（TCP 还是 UDP）

你可以用netstat -n命令查看当前的网络连接情况。

扩展：五元组就像快递单上的“寄件人地址+寄件人电话+收件人地址+收件人电话+快递类型”，缺一不可。

3. 端口号范围划分

常见知名端口号：

• SSH 服务器：22

• FTP 服务器：21

• Telnet 服务器：23

• HTTP 服务器：80

• HTTPS 服务器：443

注意：我们自己写程序时，要避开这些知名端口号，否则可能和系统服务冲突。

4. 两个常见问题

问题1：一个进程是否可以 bind 多个端口号？

• 可以。一个进程可以绑定多个端口，但通常不这么做。

问题2：一个端口号是否可以被多个进程 bind？

• 一般情况下不行。一个端口号在同一时刻只能被一个进程绑定（除非使用 SO_REUSEPORT 等特殊选项）。

UDP 协议详解

1. UDP 协议端格式

UDP 数据报由首部（8 字节）和数据组成：

注意：如果校验和出错，UDP 会直接丢弃该数据报，不会通知应用层。

2. UDP 的特点

UDP 传输的过程类似于寄信：

• 无连接：知道对端的 IP 和端口号就直接发送，不需要建立连接。

• 不可靠：没有确认机制，没有重传机制。如果网络故障导致数据丢失，UDP 不会给应用层返回任何错误信息。

• 面向数据报：应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就原样发送，既不拆分，也不合并。

举个例子：

你用 UDP 发送 100 个字节：

• 发送端调用一次sendto，发送 100 字节；

• 接收端必须调用一次recvfrom，接收 100 字节；

• 不能循环调用 10 次recvfrom，每次接收 10 字节。

扩展：这就像寄信，你寄出一整封信，收信人必须一次性收完整封信，不能分 10 次收。

3. UDP 的缓冲区

• 发送缓冲区：UDP 没有真正意义上的发送缓冲区。调用sendto会直接交给内核，由内核传输给网络层。

• 接收缓冲区：UDP 有接收缓冲区，但不能保证收到的 UDP 报的顺序和发送顺序一致。如果缓冲区满了，再到达的 UDP 数据就会被丢弃。

4. 全双工

UDP 的 socket 既能读，也能写，这个概念叫做全双工。

扩展：全双工就像打电话，双方可以同时说话和听对方说话。

UDP 使用注意事项

1. 最大长度限制

UDP 首部中有一个 16 位的“UDP 长度”字段，所以一个 UDP 能传输的数据最大长度是64K（包含 UDP 首部）。

64K 在当今互联网环境下非常小。如果需要传输超过 64K 的数据，就需要在应用层手动分包，多次发送，并在接收端手动拼装。

2. 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。

扩展内容：UDP 的优缺点与适用场景

1. 优点

• 速度快：没有连接建立、确认、重传等机制，开销小。

• 实时性好：适合对延迟敏感的应用，如视频直播、语音通话、在线游戏。

• 实现简单：协议首部只有 8 字节，处理逻辑简单。

2. 缺点

• 不可靠：数据可能丢失、乱序、重复。

• 无拥塞控制：网络拥塞时不会自动降速，可能加剧网络负担。

• 数据报大小受限：最大 64K。

3. 适用场景

• 实时音视频传输（如 WebRTC、RTSP）

• DNS 查询

• DHCP 配置

• 广播/多播通信

• 游戏对战数据同步

扩展：很多现代协议在 UDP 之上自己实现了可靠性，比如 QUIC（HTTP/3 的底层协议），就是基于 UDP 实现了类似 TCP 的可靠传输。

总结对比：UDP vs TCP

一句话记住 UDP

UDP 就像寄信：不建立连接、不保证送到、一次寄一整封，速度快但可能丢。