传输层——UDP

Posted 2021-08-08 Shemesz

传输层

• 一、传输层概述
• • 1.1 传输层简介
  • 1.2 端口
  • 1.3 常见端口
• 二、UDP协议
• • 2.1 UDP概述
  • 2.1 UDP特点
  • 2.3 UDP报文格式
  • 2.4 UDP使用场景

一、传输层概述

1.1 传输层简介

  这一层在之前的博客中简单介绍了一下，传输层提供端对端通信服务，通俗的讲，两个主机通信，就是应用层上两个进程之间的通信。
  在网络层中,IP协议能分组准确的将数据发送到目的IP地址，那目的IP地址又怎么知道具体要交给哪一个主机呢？数据链路层的MAC地址又可以确定要将数据具体交付到同一网关下的目的主机。
  通过ip地址能找到不同网络下的网络，结合mac地址就能找到对应主机，那么又如何确定主机里的哪个应用进程呢？此时就要用到一个重要的东西——端口

1.2 端口

  每一个的需要用网络通信的程序都会占用一个端口，当操作系统从网络上接收到一个数据包之后，他会根据报文的目的端口号来决定这个数据包要给哪一个应用程序，这样一个端口只能被一个应用程序占用使用；

• 端口
  占有16位，其大小也就有65536个，是从0~65535.也就是一台计算机有65535个端口，其中1024以下的端口为众所周知的端口。
  进程A和进程B通信，进程A分到的端口为60000，进程B分到的端口为60001，进程A通过端口60000发送数据给进程B，就知道要交给60001端口，也就到了进程B中 ，这样就达到了通信的目的。
  

1.3 常见端口

  1024以下的端口已经被分配给了一些常用的服务：

• FTP（20/21）
• SSH（22）
• telnet（23）
• smtp（25）
• DNS（53）
• DHCP (67/68)
• tftp（69）
• www/http（80）
• ntp（123）
• snmp (161)
• https (443)

注意:在Linux下使用1024以下端口的应用程序都是需要root权限去操作的，另外也可以通过netstart命令去查看哪些端口正在被使用.

知道了端口是什么？运输层具体做了什么事情呢？运输层就是将两个端口连起来通信的介质，不然光知道两个端口有什么用，怎么通信的，还是要靠运输层来做这个事情，其中重要的就是靠两个协议，UDP和TCP协议。

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二、UDP协议

2.1 UDP概述

UDP:User Datagram Protocol 用户数据报协议

2.1 UDP特点

• UDP与手机收发短信相似，是非面向连接、不可靠的数据报文协议
• 建立连接：是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，用这样的数据结构来保证所谓的面向连接的特性；

非面向连接 ：意思就是在通讯之前不需要建立连接，直接传输数据。
不可靠：是将数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证数据报能够到达另一端，任何必须的可靠性都由应用程序提供。在 UDP 情况下，虽然可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会达到目的端。没有超时和重传功能，当 UDP 数据封装到 IP 数据报传输时，如果丢失，会发送一个 ICMP 差错报文给源主机。即使出现网络阻塞情况，
UDP 也无法进行流量控制。此外，传输途中即使出现丢包，UDP 也不负责重发，甚至当出现包的到达顺序杂乱也没有纠正的功能。

在UDP协议下，虽然可以确保发送消息的大小，但是不能保证能一定送达。因此应用有的时候会根据自己的需要进行重发处理。

2.3 UDP报文格式

1）UDP首部

• 源端口号：占16位，源主机的应用进程所使用的端口号
• 目标端口号：占16位，目标主机的应用进程所使用的端口号，也就是我们需要通信的目标进程
• UDP（包）报长度：UDP用户数据报的长度，数据部分+UDP首部之和为UDP报长度。
• 检验和：检验和是为了提供可靠的 UDP 首部和数据而设计，这里不要和上面的不可靠传输搞混淆了，这里提供可靠的UDP首部，是因为一个进程可能接受多个进程过来的报文，那么如何区分他们呢，就是通过5个东西来进行区分的， “源 IP 地址”、“目的 IP 地址”、“协议号”、“源端口号”、“目标端口号”的，这个检测可靠，是检测接受哪个正确的报文，也就是说是哪个报文要进这个端口。那个不可靠，说的是这个报文可能丢失，可能其中数据损坏了我们不关心，但是这些的前提是，你得传输到正确的目的地去，不然乱出乱发数据报，岂不是乱套了。

2）UDP伪首部

就是拿到IP层的一些数据，因为要进行检验和，就必须要有这些数据。其中检验的算法跟IP层中检验首部的办法是一样的。

• 分析：
  一个目标进程中，其中的报文，目标端口，目标ip地址肯定都是一样的，但是源IP地址和源端口就可能不一样，这就说明了不同源而同一目的地的报文会定位到同一队列。

2.4 UDP使用场景

1）UDP的三大使用场景

• 需要资源少，在网络情况比较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用；
• 不需要一对一沟通，建立连接，而是可以广播的应用；UDP的不面向连接的功能，可以使得可以承载广播或者多播的协议。DHCP就是一种广播的形式，就是基于UDP协议的；
• 需要处理速度快，时延低，可以容忍少数丢包，即便网络堵塞，也毫不退缩，一往无前的时候；UDP简单、处理速度快，不像TCP一样，操那么多心；TCP在网络不好出现丢包的时候，拥塞控制策略会主动的退缩，降低发送速度，这就相当于本来环境就差，还自断臂膀，用户本来就卡，这下更卡了

2）基于UDP的实际应用

• 网页或者APP的访问：访问网页和手机APP都是基于HTTP协议(基于TCP)的，建立连接需要多次交互，比较耗时，Google提出了QUIC实现快速连接建立、减少重传时延，自适应拥塞控制；
• 流媒体的协议：直播协议多使用RTMP(基于TCP)，当数据丢包或者网络不好，影响直播的实时性，很多直播应用，都基于UDP实现了自己的视频传输协议；
• 实时游戏：采用自定义的可靠UDP协议，自定义重传策略，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成的影响；
• IoT物联网：物联网通信协议Thread，就是基于UDP协议的，解决了物联网领域终端资源少，实时性要求高的问题；
• 移动通信领域：4G网络里，移动流量上网的数据面对的协议GTP-U是基于UDP的；

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这跟接下来我们要讨论的TCP不一样，因为UDP是无连接的，大家都是用这一条通道，所以其队列中就会出现上面所说的这样的情况。
TCP的介绍就另写一篇博客来介绍：TCP（三路握手与四路挥手）（点击这里）