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传输层协议UDP原理

网友: 技术文档 2025-07-26 20:25:46

端口号回顾

        端口号的作用类似pid，用来标识进程的唯一性。只是为了与系统解耦，所以有了端口号。

通过ip来确定唯一主机，再通过端口号找到指定的进程。就可以让全网内唯一的两个进程通信了。

        所以一个完整的报文至少要携带ip和端口号，ip是在网络层协议来维护的本章不做讲解，而端口号是在传输层协议中维护的，传输层协议常用的两种：UDP协议和TCP协议，本章将要讲解的是UDP协议，TCP协议在下一期进行讲解。

端口号：2字节（16个比特位）其中：

  • 0 - 1023: 知名端口号, HTTP, FTP, SSH 等这些广为使用的应用层协议, 它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
        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

思考：

  1. 一个进程是否可以 bind 多个端口号?
  2. 一个端口号是否可以被多个进程 bind?

        答1：一个进程是可以绑定多个端口号的，当一个进程提供多个不同服务时，就可以通过绑定多个端口来优化。只要一个端口能确定唯一进程就行。

        答2：不能。要保证一个端口确定唯一进程。

UDP协议端格式

  • 16位源端口和16位目的端口用来确定两个唯一进程，这没啥说的。
  • 16位UDP长度：数据字段的大小不是固定的，所以该字段来表示整个数据报(UDP 首部+UDP 数据)的长度。
  • 16位UDP检验和：不保证可靠性，校验和是唯一确定数据是否有效的机制。因为在数据传输过程中物理干扰、路由错误等可能导致数据损坏。

UDP协议特点

  • 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：报文发出去任务就完成了，报文是否丢失不关心。注意这不是缺点，是特点！
  • 面向数据报：发10次，收10次。而TCP协议是面向字节流的，类似自来水。
  • 缓冲区：UDP没有发送缓冲区，直接发（TCP有发送缓冲区是为了方便重传）。有接收缓冲区，出于效率考量，忙的时候，可以缓一缓。缓冲区满了就把报文丢弃。为全双工。

内核源码

UDP协议格式其实就是一个结构体，源码如下：

struct udphdr {unsigned shortsrc_port;unsigned shortdst_port;unsigned shortlen;unsigned shortchksum;};

        在把数据交付给传输层时，数据在应用层必做序列化和反序列化。当然可直接用结构体变量代替，但非常不推荐（结构体存在内存对齐有内存浪费，与其他语言不兼容，需要考虑字节序问题等等）。

        注：即使通信双方操作系统完全不同，但网络内核部分一定相同（所以能够通信）。操作系统内核都是使用c语言实现。

        在OS内部一定会同时存在大量的报文，而这些报文可分布在各个协议层，OS必须管理这些报文。如果管理？先描述，再组织。如何描述：内核源码中结构体 struct sk_buff，如下：

struct sk_buff {struct sk_buff* next;/* Next buffer in list */struct sk_buff* prev;/* Previous buffer in list */struct sk_buff_head * list;/* List we are on*/#if CONFIG_SKB_CHECKintmagic_debug_cookie;#endifstruct sk_buff*link3;/* Link for IP protocol level buffer chains */struct sock*sk;/* Socket we are owned by */unsigned longwhen;/* used to compute rtt\'s*/struct timevalstamp;/* Time we arrived*/struct device*dev;/* Device we arrived on/are leaving by*/union {struct tcphdr*th;struct ethhdr*eth;struct iphdr*iph;struct udphdr*uh;unsigned char*raw;/* for passing file handles in a unix domain socket */void *filp;} h; union {/* As yet incomplete physical layer views */ unsigned char *raw; struct ethhdr*ethernet;} mac; struct iphdr*ip_hdr;/* For IPPROTO_RAW */unsigned long len;/* Length of actual data*/unsigned longcsum;/* Checksum */__u32saddr;/* IP source address*/__u32daddr;/* IP target address*/__u32raddr;/* IP next hop address*/__u32seq;/* TCP sequence number*/__u32end_seq;/* seq [+ fin] [+ syn] + datalen*/__u32ack_seq;/* TCP ack sequence number*/unsigned charproto_priv[16]; /* Protocol private data*/volatile char acked,/* Are we acked ?*/used,/* Are we in use ?*/free,/* How to free this buffer*/arp;/* Has IP/ARP resolution finished*/unsigned chartries,/* Times tried*/ lock,/* Are we locked ?*/ localroute,/* Local routing asserted for this frame*/ pkt_type,/* Packet class*/ pkt_bridged,/* Tracker for bridging */ ip_summed;/* Driver fed us an IP checksum*/#define PACKET_HOST0/* To us*/#define PACKET_BROADCAST1/* To all*/#define PACKET_MULTICAST2/* To group*/#define PACKET_OTHERHOST3/* To someone else */unsigned shortusers;/* User count - see datagram.c,tcp.c */unsigned shortprotocol;/* Packet protocol from driver. */unsigned shorttruesize;/* Buffer size */atomic_tcount;/* reference count*/struct sk_buff*data_skb;/* Link to the actual data skb*/unsigned char*head;/* Head of buffer */unsigned char*data;/* Data head pointer*/unsigned char*tail;/* Tail pointer*/unsigned char *end;/* End pointer*/void (*destructor)(struct sk_buff *);/* Destruct function*/__u16redirport;/* Redirect port*/};

封包和解包的本质理解

在以上源码中我们主要关注两个部分：

该字段说明报文用了链表结构来维护，对报文进行操作的本质就是链表的增删改查。

怎么体现不同协议层报文呢？如下字段：

变量 指向位置 功能 head 缓冲区的起始地址 指向整个数据包内存的头部（包括预留的“头空间”）。 data 当前协议层头部 随着协议栈处理，动态移动：
接收时：从MAC头 → IP头 → TCP（或UDP）头 → 应用数据。
发送时：反向移动。 tail 当前有效数据的末尾 标识实际数据的结束位置（如应用层数据的末尾）。 end 缓冲区的结束地址 指向整个数据包内存的尾部（包括预留的“尾空间”）。

[head，end]：缓冲区大小。

[data，tail]：报文。封装和解包本质：移动data指针在缓冲区的位置，加减对应层协议长度。

非常感谢您能耐心读完这篇文章。倘若您从中有所收获，还望多多支持呀！74c0781738354c71be3d62e05688fecc.png

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