运输层——端口、UDP协议

1. 端口：标识主机中不同的进程。

• 标识进程为什么不直接使用进程标识符？
  原因在于：各个主机可能使用不同的操作系统，进程标识符则使用不同格式，为了使运行不同操作系统的计算机的应用进程能够互相通信，必须使用统一的方法 ； 利用主机IP找到目的主机，然后利用端口号找到对方主机中的应用进程。
• 常用的熟知端口：FTP -> 21.20 ; TELNET -> 23 ; SMTP -> 25 ; DNS -> 53 ; HTTP -> 80 …

2. UDP协议

• 特点
  1)面向无连接的：传送数据之前不需要建立连接，减小了开销和传送之前的延时。
  2)尽最大努力交付，不保证可靠交付
  3)面向报文：直接将应用层交下来的报文添加首部后就像IP层交付，每次发送整个报文，应用层需要注意报文大小，而不是UDP进行拆分。
  4)没有拥塞控制，网络上出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。对于实时应用：要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许网络发生拥塞时丢失一部分数据，但却不允许延时过长。UDP适合这种应用。
  5)支持一对一、一对多、多对一、多对多交互通信
  6)首部开销小，只有8字节。

• 首部格式
  1)源端口
  2)目的端口
  3)长度
  4)检验和：与IP不一样，检验首部（UDP首部和伪首部<临时添加的源IP和目的IP>）和数据段，每16位拆分进行反码求和，形成校验和。

UDP接收程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFFER_SIZE 1024
#define PORT 9999

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    int expected_seq = 1;

    // 创建UDP socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    // 配置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定socket
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("UDP Server listening on port %d...\n", PORT);

    while (1) {
        len = sizeof(cliaddr);
        
        // 接收数据
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, 
                        (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
        if (n < 0) {
            perror("recvfrom failed");
            continue;
        }

        // 提取序号(前4字节)
        int received_seq;
        memcpy(&received_seq, buffer, sizeof(int));
        received_seq = ntohl(received_seq); // 网络字节序转主机字节序

        // 检查序号
        if (received_seq == expected_seq) {
            printf("Received message #%d: %s\n", received_seq, buffer + 4);
            expected_seq++;
        } else {
            printf("Out-of-order packet. Expected #%d, got #%d\n", 
                  expected_seq, received_seq);
        }

        // 发送ACK(序号)
        int ack_seq = htonl(received_seq);
        sendto(sockfd, &ack_seq, sizeof(int), 0, 
              (const struct sockaddr *)&cliaddr, len);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

UDP发送程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 9999
#define BUFFER_SIZE 1024
#define MESSAGE_COUNT 10

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    int seq_num = 1;

    // 创建UDP socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

    // 配置服务器地址
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &servaddr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    socklen_t len = sizeof(servaddr);

    for (int i = 1; i <= MESSAGE_COUNT; i++) {
        // 准备消息
        char message[BUFFER_SIZE - 4];
        snprintf(message, sizeof(message), "Message %d", i);

        // 构建数据包: 4字节序号 + 消息内容
        int net_seq = htonl(seq_num); // 主机字节序转网络字节序
        memcpy(buffer, &net_seq, sizeof(int));
        strcpy(buffer + 4, message);

        // 发送数据
        sendto(sockfd, buffer, strlen(message) + 1 + 4, 0,
              (const struct sockaddr *)&servaddr, len);
        printf("Sent message #%d: %s\n", seq_num, message);

        // 接收ACK
        int ack_seq;
        recvfrom(sockfd, &ack_seq, sizeof(int), 0,
                (struct sockaddr *)&servaddr, &len);
        ack_seq = ntohl(ack_seq); // 网络字节序转主机字节序

        if (ack_seq == seq_num) {
            printf("Received ACK for message #%d\n", seq_num);
            seq_num++;
        } else {
            printf("Received unexpected ACK #%d\n", ack_seq);
        }

        sleep(1); // 间隔1秒
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

编译代码：
gcc server.c -o server
gcc client.c -o client