【网络进阶】Posix API与网络协议栈（四）

1. UDP数据帧

用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是一种无连接的网络协议，在传输层提供了简单的、不可靠的数据报传送服务。因为UDP缺乏复杂的特性如超时重传、乱序数据处理、拥塞控制等，所以它相对于TCP，拥有更低的延迟和开销。这使得UDP成为实时应用（如VoIP、游戏）以及简单查询应用（如DNS）的首选。

UDP数据帧结构比较简单，包括以下几部分：

• 源端口（Source Port）：这是一个可选字段，标识发送UDP数据报的应用程序的端口。
• 目标端口（Destination Port）：这个字段用于标识接收UDP数据报的应用程序的端口。
• 长度（Length）：该字段定义了UDP头部和数据的总长度。
• 校验和（Checksum）：这是一个可选字段，用于检查头部和数据的错误。

当然，我将重新描述以尽可能清晰地阐述整个UDP数据帧的创建和传输过程。

1.1 UDP数据帧在网络协议栈中的传输过程

假设一个应用程序想要发送一份数据给另一台机器上的应用程序。这个过程可以分解为以下步骤：

1. 应用层（Application Layer）：发送端的应用程序将数据准备好，并决定使用UDP协议进行传输。这个数据被称为原始数据或者负载。

2. 传输层（Transport Layer）：应用层将数据交给传输层的UDP协议。UDP协议将添加UDP头部，这个头部包含源端口和目标端口，以及长度和校验和字段。这个过程形成了UDP数据报。

3. 网络层（Network Layer）：传输层的UDP协议将UDP数据报交给网络层的IP协议。IP协议将添加IP头部，包括源IP地址和目标IP地址。这个过程形成了IP数据报，其中包含UDP数据报。

4. 链路层（Link Layer）：网络层将IP数据报交给链路层。链路层将在IP数据报的前后分别添加链路层的头部和尾部，形成一个数据帧。然后，这个数据帧将通过物理介质（如以太网、无线网络）发送出去。

当数据帧到达接收端的机器时，这个过程将反向进行：

1. 链路层（Link Layer）：接收端的链路层从物理介质上接收到数据帧，移除头部和尾部，然后将IP数据报交给网络层。

2. 网络层（Network Layer）：网络层接收到IP数据报，移除IP头部，然后将UDP数据报交给传输层。

3. 传输层（Transport Layer）：传输层接收到UDP数据报，移除UDP头部，然后将原始数据或负载交给应用层。

4. 应用层（Application Layer）：最后，应用层接收到原始数据，然后进行后续的处理。

以上就是UDP数据帧在网络协议栈中的传输过程。可以看出，原始数据在传输过程中，会被逐层封装成数据帧，然后在接收端被逐层剥离出来。每一层都在数据上添加自己的头部信息，以实现各自的功能。而UDP的作用就是在传输层提供端到端的数据传送服务。

1.2 UDP数据帧的特性

1. 无连接：UDP是一种无连接的协议，意味着发送数据之前无需建立连接。这使得UDP特别适用于一次性的数据传输，如DNS查询或视频流。

2. 不可靠性：UDP是一种不可靠的协议，它不保证数据帧一定能够成功地到达目的地。如果网络出现拥塞，UDP数据帧可能会被丢弃。此外，如果数据帧以错误的顺序到达，UDP也不会进行重新排序。

3. 适用于实时应用：由于UDP无需确认信息、重传机制或复杂的链接建立过程，其具有极低的延迟。这使得UDP在实时应用如VoIP通话、在线游戏等中有着极高的应用价值。尽管可能会有一定量的数据丢失，但对于这些应用来说，延迟的增加会对用户体验造成更大的影响。

4. 支持广播和多播：UDP支持广播和多播，广播允许一个UDP数据帧被发送到网络上的所有主机，而多播则允许数据帧被发送到一个特定的主机组。这使得UDP非常适合在网络上分发信息，例如在网络上播放实时视频。

2. 以太网协议头

以太网协议头是数据链路层的一部分，用于指定以太网帧的源地址和目标地址，并定义了帧的类型。

2.1 以太网协议头的主要组成部分

1. 目的地址（Destination Address）：这个字段是一个6字节的字段，包含了目的地以太网接口的物理地址。如果一台机器想要发送一个数据帧，它将把目的地机器的以太网地址写入这个字段。

2. 源地址（Source Address）：这个字段也是6字节，包含了发送机器以太网接口的物理地址。这样接收端就能知道这个数据帧来自于哪里。

3. 类型/长度（Type/Length）：这是一个2字节的字段。如果这个字段的值大于等于1536（0x0600），那么它表示的是以太网帧的类型；如果这个字段的值小于等于1500，那么它表示的是以太网帧的长度。类型字段用于标识上层协议类型，例如IPv4或IPv6。

4. 虚拟局域网标签（VLAN Tag，可选）：这是一个可选的4字节字段，包含了优先级代码点（Priority Code Point，PCP）、帧识别协议标识符（Drop Eligible Indicator，DEI）以及虚拟局域网标识符（VLAN Identifier，VID）。这个字段不是在所有的以太网帧中都存在，只在802.1Q VLAN标签存在的情况下出现。

请注意，以上字段描述的是以太网帧的头部，实际的以太网帧还包括数据部分以及帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）字段，FCS字段用于对以太网帧的完整性进行校验，以检测数据在传输过程中是否发生错误。

以太网帧头部的设计使得网络设备能够准确地将数据帧发送到正确的目的地，同时也提供了对数据完整性的一定保障。在实际网络环境中，以太网协议是目前最为广泛应用的局域网技术之一，它的设计思想和技术细节值得我们深入学习和理解。

2.2 以太网协议的设计思想和技术细节

1. 简单性：以太网的设计理念之一是保持简单。比如，以太网是一种基于广播的协议，所有节点都在同一个广播域中。这意味着每个节点都会接收到所有的数据帧，然后根据以太网帧头的目的地址来决定是否处理这个数据帧。

2. 无连接性：以太网是无连接的，也就是说，发送数据帧的节点不需要在发送数据前与接收节点建立连接。这种无连接性质让以太网更加简单和高效，但也意味着以太网本身不提供任何可靠性保证。

3. 媒体访问控制（MAC）：以太网使用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）作为其媒体访问控制方法。当一个以太网节点需要发送数据时，它首先会侦听媒体（通常是电缆）以检测是否有其他节点正在发送数据。如果没有，它就会开始发送数据。如果两个节点同时开始发送数据，会发生冲突，此时，节点会停止发送，等待随机时间后再次尝试发送。

4. 帧结构：以太网帧的结构设计简单且高效，包括目的地址、源地址、类型/长度和数据负载等字段。另外，还有一个帧校验序列字段用于错误检测。这种帧结构既满足了数据传输的基本需求，又保证了整体的简单性。

5. 可扩展性：以太网的设计还具有良好的可扩展性。例如，原始的以太网只支持10Mbps的传输速率，但随着技术的进步，现在的以太网可以支持100Mbps、1Gbps甚至10Gbps以上的速率。此外，以太网还支持各种物理媒介，包括双绞线、光纤和无线电波等。

以上就是以太网协议的设计思想和技术细节的一部分。总的来说，以太网的设计强调了简单性、无连接性和可扩展性，使其能够在各种网络环境中广泛应用。

3. IP协议

3.1 IP协议的功能与特点

互联网协议（IP）是互联网协议套件（TCP/IP）的核心协议，它负责将封装在IP数据报中的数据从源主机发送到目标主机。其核心功能包括地址标识、分片与重组、路由选择和错误处理等。

• 地址标识：IP地址是网络中设备的唯一标识，使得数据报能够准确地从源主机路由到目标主机。IP地址分为IPv4（32位）和IPv6（128位）两种格式。

• 分片与重组：IP协议提供了分片（fragmentation）和重组（reassembly）机制，可以将大的数据报分解为较小的数据报发送，并在接收端重新组合这些数据报，以适应不同网络环境中的最大传输单元（MTU）限制。

• 路由选择：IP协议的一个关键功能是路由，它根据路由表中的信息，选择数据报从源地址到目标地址的最佳路径。

• 错误处理：IP协议有能力处理数据报在传输过程中出现的错误，但不负责错误恢复。如果数据报在传输过程中出错，IP会通过生成ICMP消息通知发送端，但重传错误的数据报的任务通常由上层协议（如TCP）负责。

除了上述的核心功能，IP协议还有一些额外的特点和能力。例如，IP协议是无连接的，这意味着发送数据报的主机并不需要在发送之前与接收主机建立连接。此外，IP协议也是尽力而为（best effort）的，它不保证数据报的传输可靠性，不提供错误恢复，也不进行流量控制或拥塞控制，这些任务都交给了上层协议，如TCP。

3.2 IP协议头部

IP协议头部包含了数据报传输所需的所有重要信息。在IPv4中，协议头部的长度固定为20字节（除非使用了选项字段），而在IPv6中，头部的长度固定为40字节。协议头部的主要字段包括：

• 版本：指示IP协议的版本，IPv4或IPv6。

• 头部长度：指示IP头部的长度。

• 服务类型/流量等级：在IPv4中，这个字段被称为服务类型（Type of Service），用于指示数据报的优先级和QoS需求；