运输层——端口、UDP协议

本文深入解析了端口在主机进程标识中的作用及其统一标识方法的重要性,同时详细介绍了UDP协议的特点,包括其无连接特性、尽最大努力交付原则、报文导向、缺乏拥塞控制、支持多种通信模式及首部开销小等特性。

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  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 …
  1. 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

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