UDP 深度解析：传输层协议核心原理与套接字编程实战-EW帮帮网

文章目录

一.认识IP地址及端口号
二.套接字的概念
三.网络字节序
- 什么是字节序？
- 网络字节序
四.套接字常用接口
六.UDP协议剖析

一.认识IP地址及端口号

什么是IP地址？

IP 地址是网络层的逻辑地址，用于标识网络中设备的逻辑位置，以便实现跨网络（如局域网、广域网）的通信。IP 地址处在 IP 协议中，用来标识网络中唯一的一台主机。

常见的IP地址类型有：IPv4：4个字节，32 位二进制数，通常分为 4 组十进制数（如192.168.1.1），每组范围 0-255；IPv6：16个字节，128 位二进制数，分为 8 组十六进制数，解决 IPv4 地址枯竭问题

什么是端口号？

一台设备可能同时运行多个网络程序，数据包到达设备后，需通过端口号判断 “该交给哪个应用处理”，”。
从网络中获取的数据在进行向上交付时，在传输层就会提取出该数据对应的目的端口号，进而确定该数据应该交付给当前主机上的哪一个服务进程。

端口号属性:

长度：16 位二进制，范围是 0 ~ 65535（共 65536 个端口）。
唯一性：用网络进行通信本质上就是通过应用层的进程进行通信，接收到信息后需要知道传递给哪一个进程，这时就需要端口号，存在一个哈希表将端口号和对应的进程PCB地址映射起来，一个进程可以对应多个端口号，但是一个端口号不能对应多个进程。

端口号划分：

知名端口
范围：0~1023
特点：普通应用程序不允许占用（需管理员权限才能绑定），客户端能通过固定端口访问常见服务（无需手动指定端口）。
典型例子：
HTTP（超文本传输协议）：80 端口
HTTPS（加密的 HTTP）：443 端口
FTP（文件传输协议）：21 端口
SSH（远程登录协议）：22 端口
DNS（域名解析协议）：53 端口

在Linux中，可以输入/etc/services的命令来查看常用知名端口号：
在这里插入图片描述

注册端口
范围：1024~49151
特点：供开发者为自定义服务（如数据库、中间件）分配固定端口，方便用户记忆和访问。
典型例子：
MySQL 数据库：3306 端口
Redis 缓存：6379 端口
Tomcat 服务器：8080 端口（常用的 “非标准 HTTP 端口”）
MongoDB：27017 端口
动态 / 私有端口
范围：49152~65535
特点：不固定分配给任何服务，由操作系统临时动态分配给客户端应用，客户端与服务器通信时，临时占用一个端口作为 “本地标识”，通信结束后立即释放，供其他应用复用。

标识一个通信

在TCP/IP协议中，用“源IP地址”，“源端口号”，“目的IP地址”，“目的端口号”，“协议号”这样一个五元组来标识一个通信。

在Linux中可以通过netstat命令来查看五元组：
在这里插入图片描述
Local Address表示的就是源IP地址和源端口号，Foreign Address表示的就是目的IP地址和目的端口号，而Proto表示的就是协议类型。

拓展：netstat命令

选项	含义
-t	仅显示 TCP 协议的连接
-u	仅显示 UDP 协议的连接
-l	仅显示处于 “监听状态”（Listening）的端口 / 连接
-n	以 “数字形式” 显示地址和端口（不解析域名 / 服务名，速度更快）
-p	显示建立连接的进程 PID 和名称（需 root 权限，否则可能显示不全）
-a	显示所有连接（包括监听和非监听状态）
-r	显示路由表（类似 route 命令）
-i	显示网络接口的统计信息（如收发数据包数、错误数）
-c	持续刷新显示（实时监控，按 Ctrl+C 退出）

在这里插入图片描述

二.套接字的概念

既然IP地址可以用来标识互联网中唯一的一台主机，port 端口号可以用来标识该主机上唯一的一个网络进程，那么“源IP地址”，“源端口号”，“目的IP地址”，“目的端口号”这样的四元组就能标识互联网中唯二的两个进程。

套接字的标识由IP 地址和端口号共同组成，二者结合形成唯一的 “通信端点”，IP 地址：定位网络中的目标设备（如192.168.1.100）；
端口号：定位设备上的目标进程（如8080）。
格式通常表示为 IP:端口（如192.168.1.100:8080），这也是 “套接字地址” 的核心形式。

三.网络字节序

什么是字节序？

计算机处理的 “多字节数据”（比如占 4 字节的int型整数、占 2 字节的端口号），在内存中存储时，字节的排列顺序就是 “字节序”。

举个具体例子：假设要存储整数 0x12345678（十六进制，共 4 个字节，分别是 0x12、0x34、0x56、0x78）。
大小端的机器分别会这样储存：
把 “高位字节”（0x12）存在内存的 “低地址”，“低位字节”（0x78）存在 “高地址”；反过来，把 “低位字节” 存在 “低地址”，“高位字节” 存在 “高地址”。
这两种不同的排列方式在网络通信中如何不统一储存方式，数据就会变成乱码！一团糊糊！

网络字节序

为解决上述差异，TCP/IP 协议族明确规定：所有网络传输的多字节数据，必须使用统一的字节序 —— 大端序；
系统调用提供了专门的函数，用于 “主机字节序” 与 “网络字节序” 的转换（以 C 语言为例）：

函数名	作用	适用场景（数据类型）
htons	Host to Network Short（主机→网络，短整型）	端口号（通常占 2 字节，short）
htonl	Host to Network Long（主机→网络，长整型）	IP 地址（IPv4 占 4 字节，long）
ntohs	Network to Host Short（网络→主机，短整型）	接收端口号后，转本地字节序
ntohl	Network to Host Long（网络→主机，长整型）	接收 IP 地址后，转本地字节序

更加详细的功能说明：

htonl（host to network long）:把主机字节序的32 位长整数（uint32_t，比如unsigned int ）转换成网络字节序（大端）。
htons（host to network short）：把主机字节序的16 位短整数（uint16_t，比如unsigned short ）转换成网络字节序（大端）。
ntohl（network to host long）：把网络字节序（大端）的32 位长整数，转回主机字节序（适配本地系统的大 / 小端）。
ntohs（network to host short）：把网络字节序（大端）的16 位短整数，转
回主机字节序。

四.套接字常用接口

这里给出套接字编程中常用的一些系统调用接口函数：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

/* 地址结构体 */
// IPv4专用地址结构
struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family;  // 地址族(AF_INET)
    in_port_t       sin_port;    // 端口号(网络字节序)
    struct in_addr  sin_addr;    // IP地址(网络字节序)
    unsigned char   sin_zero[8]; // 填充字段
};

// 通用地址结构(函数参数使用)
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;       // 地址族
    char        sa_data[14];     // 地址数据
};

/* 套接字创建与关闭 */
// 创建套接字：domain(AF_INET), type(SOCK_STREAM/TCP, SOCK_DGRAM/UDP)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 关闭套接字
int close(int sockfd);

/* 绑定操作(服务器端) */
// 将套接字与IP:端口绑定
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

/* TCP专用接口 */
// 监听连接(服务器)：backlog为等待队列长度
int listen(int sockfd, int backlog);

// 接受连接(服务器)：返回与客户端通信的新套接字
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

// 发起连接(客户端)：连接到目标服务器
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

/* 数据传输接口 */
// TCP发送数据(已连接)
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

// TCP接收数据(已连接)
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

// UDP发送数据(需指定目标地址)
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

// UDP接收数据(获取源地址)
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

/* 字节序转换工具 */
uint16_t htons(uint16_t hostshort);  // 主机端口→网络端口
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络端口→主机端口
in_addr_t inet_addr(const char *cp); // IP字符串→网络字节序

注意事项及 sockaddr 结构介绍：

⦁ socket 不仅支持跨网络的进程间通信，还支持本主机的进程间通信。
⦁ 在创建套接字时，需要选择创建的是用于网络通信的网络套接字，还是用于本地通信的域间套接字。
⦁ 由于在进行网络通信时，需要传递 ip + port，而本地通信则不需要。因此套接字就提供了用于网络通信的 sockaddr_in 结构体，以及用于本地通信的 sockaddr_un 结构体。
⦁ 而为了让网络通信和本地通信都能使用同一个函数，又出现了一种新的结构体 sockaddr，这 3 种结构体的前面 16 个比特位相同，都叫做协议家族。
⦁ 在使用 socket 相关函数时，不管要进行的是网络通信还是本地通信，统一传入 sockaddr 结构体作为 socket 相关函数的参数。
⦁ 通过设置 sockaddr 的协议家族来决定进行的是网络通信还是本地通信，socket 相关函数会提取出 sockaddr 的前 16 个比特位来判断要进行的是本地还是网络通信。
⦁ IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6. 这样只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
⦁ 编写网络通信代码时，定义的依旧是 sockaddr_in 结构体；传参时，需要将定义的 sockaddr_in 结构体变量的地址类型强转为 sockaddr*。

在这里插入图片描述

下面来依次讲解套接字接口：

创建套接字：

socket () - 创建套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);

创建一个套接字（socket），作为网络通信的端点。
domain：协议族（地址族），常用值如 AF_INET（IPv4 协议）、AF_INET6（IPv6 协议）、AF_UNIX（本地进程间通信）。
type：套接字类型，常用 SOCK_STREAM（流式套接字，用于 TCP 协议，可靠、面向连接）、SOCK_DGRAM（数据报套接字，用于 UDP 协议，不可靠、无连接）。
protocol：协议类型，通常设为 0，表示使用对应 type 的默认协议（如 SOCK_STREAM 对应 IPPROTO_TCP ）。
返回值：成功返回套接字描述符（非负整数），失败返回 -1。

绑定端口号：

bind () - 绑定端口号c

int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

将套接字与特定的 IP 地址和端口号绑定，让操作系统明确该套接字要监听 / 使用哪个网络端点。
sockfd：socket() 返回的套接字描述符，标识要操作的套接字。
addr：指向包含 IP 地址和端口号的结构体指针，实际使用时常用 struct sockaddr_in 填充内容后，强制转换为 struct sockaddr 传入* 。
addrlen：地址结构体的长度，即 sizeof(struct sockaddr_in)，告知内核地址结构大小。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1（可通过 errno 查具体错误，如端口被占用、权限不足等）。

struct sockaddr_in 的设置：

不妨先来看看struct sockaddr_in的具体结构：

typedef uint16_t in_port_t;

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;			/* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
			   __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
			   sizeof (in_port_t) -
			   sizeof (struct in_addr)];
  };

struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };

sin_family：需填 AF_INET（对应 IPv4 场景），标识地址族。
sin_port：要绑定的端口号，需用网络字节序（可通过 htons() 函数转换，如 htons(8080) ）。
sin_addr：struct in_addr 类型，存储 IP 地址。若填 INADDR_ANY（值为 0 ），表示绑定到本机所有网卡的 IP（服务器常用，灵活监听多网卡）；也可填具体 IPv4 地址（需用 inet_addr() 等转换为网络字节序）。

//创建本地地址结构体
struct sockaddr_in local;
memset(&local,0, sizeof(local)); 
local.sin_family= AF_INET; // IPv4
local.sin_port= htons(port_); // 将端口号转换为网络字节序(注意端口号是16位的，需要转为网络字节序，使用htons函数)
local.sin_addr.s_addr= inet_addr(ip_.c_str()); // inet_addr会提取字符串中的IP地址，并转换为网络字节序的32位整数

监听套接字：

listen () - 监听套接字

int listen(int sockfd, int backlog);

将套接字设置为监听状态，让其准备好接受客户端连接（仅用于 TCP 流式套接字）。
sockfd：已绑定的套接字描述符（经 bind 成功后的）。
backlog：等待连接队列的最大长度（内核维护两个队列：半连接队列、全连接队列，该值影响队列总容量）。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

接收请求：

accept () - 接受请求

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);

从已完成连接队列中取出一个客户端连接，创建新的套接字用于后续与该客户端通信（仅用于 TCP 服务器）。
sockfd：处于监听状态的套接字描述符（经 listen 后的）。
addr：用于存储客户端地址信息的结构体指针（通常用 struct sockaddr_in 接收，再强转），可获取客户端 IP 和端口。
addrlen：地址结构体长度的指针，调用时需先填 sizeof(struct sockaddr_in)，内核会修改它为实际地址长度。
返回值：成功返回新的套接字描述符（专门用于与该客户端收发数据，原监听套接字仍可继续接受其他连接），失败返回 -1。
说明：阻塞函数，若无客户端连接，会一直等待；有连接时，为每个客户端创建独立套接字，方便服务器并发处理多客户端。

连接套接字：

connect () - 建立连接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

客户端向服务器发起 TCP 连接请求，尝试与服务器的 IP + 端口建立连接。
sockfd：客户端套接字描述符（socket() 创建的）。
addr：指向服务器地址信息的结构体指针（用 struct sockaddr_in 填充服务器 IP、端口，再强转 ）
addrlen：服务器地址结构体的长度（sizeof(struct sockaddr_in) ）。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1（如服务器未监听、网络不通等）。
说明：仅用于 TCP 客户端，主动发起连接；UDP 无需该操作（无连接特性）。

接收数据：

recvfrom () - 接收数据报

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

从指定套接字接收数据报，并获取发送方的地址信息（IP + 端口）。
sockfd：套接字描述符（通过 socket() 创建的 UDP 套接字，类型为 SOCK_DGRAM）。
buf：接收数据的缓冲区，用于存储接收到的数据。
len：缓冲区的最大长度（字节数），避免数据溢出。
flags：接收方式标志，通常设为 0（默认阻塞接收），特殊需求可设 MSG_DONTWAIT（非阻塞）等。
src_addr：指向 struct sockaddr 类型的指针，用于存储发送方的地址信息（输出参数）。
实际使用时常用 struct sockaddr_in（IPv4）接收，需强制转换为 struct sockaddr*。
addrlen：指向 socklen_t 类型的指针，输入时为 src_addr 缓冲区的长度（如 sizeof(struct sockaddr_in)），输出时为实际接收到的地址长度（输入输出参数）。

返回值：
成功：返回接收到的字节数（≤ len）。
失败：返回 -1（可通过 errno 查看错误原因，如 EAGAIN 表示非阻塞模式下无数据）。

发送数据：

sendto () - 发送数据报

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

通过指定套接字向目标地址（IP + 端口）发送数据报。
sockfd：套接字描述符（UDP 套接字，SOCK_DGRAM 类型）。
buf：待发送数据的缓冲区。
len：待发送数据的长度（字节数）。
flags：发送方式标志，通常设为 0，特殊需求可设 MSG_DONTROUTE（不经过路由）等。
dest_addr：指向 struct sockaddr 类型的指针，存储目标地址信息（IP + 端口），需提前填充。
IPv4 场景下用 struct sockaddr_in 填充（sin_family=AF_INET、sin_port=目标端口、sin_addr=目标IP），再强制转换。
addrlen：目标地址结构体的长度（如 sizeof(struct sockaddr_in)）。

返回值：
成功：返回发送的字节数（≤ len）。
失败：返回 -1（如目标地址不可达、端口未开放等）。

五.实现简单的UDP服务器

服务器的初始化（套接字的创建绑定）

void Init()
    {
        // 1. 创建udp socket
        // 2. Udp 的socket是全双工的，允许被同时读写的
        sockfd_= socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // PF_INET与AF_INET是等价的,类似于打开一个文件
        if(sockfd_ < 0)
        {
            log(FATAL, "socket create error, sockfd: %d", sockfd_);
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        else 
        {
            log(INFO, "socket create success, sockfd: %d", sockfd_);
        }

        //创建本地地址结构体
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local,0, sizeof(local)); 
        local.sin_family= AF_INET; // IPv4
        local.sin_port= htons(port_); // 将端口号转换为网络字节序(注意端口号是16位的，需要转为网络字节序，使用htons函数)
        local.sin_addr.s_addr= inet_addr(ip_.c_str()); // inet_addr会提取字符串中的IP地址，并转换为网络字节序的32位整数

        //进行绑定
        if(bind(sockfd_, (const struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            log(FATAL, "bind error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
            exit(BIND_ERR);
        }
        else
        {
            log(INFO, "bind success, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
        }
    }

服务器接受与发送数据

void Run(func_t func) 
    {
        isrunning_ = true;
        char input[SIZE]={0};
        while(isrunning_)
        {
            struct sockaddr_in client_addr;
            memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
            socklen_t len = sizeof(client_addr);
            int n = recvfrom(sockfd_, input, 1023, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
            if(n < 0)
            {
                log(WARNING, "recvfrom error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
                continue;
            }
            // cout<< "Received from client: " << input << std::endl;

            std::string client_ip = inet_ntoa(client_addr.sin_addr); // 获取客户端IP地址
            uint16_t client_port = ntohs(client_addr.sin_port); // 获取客户端端口号 
            CheckUser(client_ip, client_port,client_addr);
            
            // 将接收到的数据进行处理
            input[n] = '\0'; 
            std::string tmp=input;
            std::string rev= func(tmp); 
            // // cout<< "After processing: " << rev << std::endl;
            sendto(sockfd_, rev.c_str(), rev.size(), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
        }
    }

请注意这里func_t类型是回调函数，需要在外层自己定义：

typedef std::function<std::string(std::string&)> func_t;

六.UDP协议剖析

UDP协议格式

网络套接字编程时用到的各种接口，是位于应用层和传输层之间的一层系统调用接口，这些接口是系统提供的，UDP是属于内核当中的，是操作系统本身协议栈自带的，其代码不是由上层用户编写的，UDP的所有功能都是由操作系统完成，因此网络也是操作系统的一部分。

UDP协议格式如下：

在这里插入图片描述

UDP报头实际上是结构体，四个基本成员使用位段描述

struct udp_header_bitfield {
    // 第1~16位：源端口号（Source Port）
    uint16_t source_port : 16;  // 16位，标识发送端应用程序端口（0~65535）
    
    // 第17~32位：目的端口号（Destination Port）
    uint16_t dest_port : 16;    // 16位，标识接收端应用程序端口（0~65535）
    
    // 第33~48位：UDP总长度（UDP Length）
    uint16_t udp_length : 16;   // 16位，UDP数据报总长度（报头8字节+数据，范围8~65535字节）
    
    // 第49~64位：校验和（Checksum）
    uint16_t checksum : 16;     // 16位，校验UDP报头、数据及伪首部（0表示不校验）
};

字段名称	字节数	位置（字节）	核心作用
源端口号	2	0~1	标识发送端的应用程序端口
目的端口号	2	2~3	标识接收端的应用程序端口
UDP 长度	2	4~5	表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的长度
校验和	2	6~7	校验传输完整性，如果UDP报文的检验和出错，就会直接将报文丢弃

tips：UDP最大长度是16位，一个UDP报文的最大长度是64K（包含UDP报头的大小），如果需要传输的数据超过64K，就需要在应用层进行手动分包，多次发送，并在接收端进行手动拼装。

UDP如何将报头与有效载荷进行分离？

UDP的位段结构体有四个基本成员，每个成员都分得了16个比特位作为数据的存储空间，那么UDP报头的大小=结构体大小=16*4=64bit=8byte，所以大小为固定长度8个字节，UDP在读取报文时读取完前8个字节后剩下的就都是有效载荷了。

UDP如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

UDP上层也有很多应用层协议，因此UDP必须想办法将有效载荷交给对应的上层协议，也就是交给应用层对应的进程。

由于应用层的每一个网络进程都会绑定一个端口号，服务端进程必须显示绑定一个端口号，客户端进程则是由系统动态绑定的一个端口号。UDP就是通过报头当中的目的端口号来找到对应的应用层进程的。

UDP数据封装与分用是如何实现的？

封装：当应用层将数据交给传输层后，在传输层就会创建一个UDP报头，然后填充报头当中的各个字段，此时操作系统再在内核当中开辟一块空间，将UDP报头和有效载荷组合到一起，此时就形成了UDP报文。
分用：当传输层从下层获取到一个报文后，就会读取该报文的前8个字节（也就是获取UDP报头），提取出对应的目的端口号，再通过目的端口号找到对应的上层应用层进程，然后将剩下的有效载荷向上交付给该应用层进程。

UDP协议的特点

无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行数据传输，不需要建立连接。
不可靠：没有确认机制，没有重传机制；如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。
面向数据报：不能够灵活的控制读写数据的次数和数量。

面向数据报

应用层每次调用sendto()发送数据时，UDP 会将该数据直接封装成一个独立的 UDP 数据报（添加 8 字节报头），不合并、不拆分—— 应用层发 100 字节，UDP 就传 1 个 108 字节（8 字节报头 + 100 字节数据）的数据报；应用层分 3 次发 50 字节，UDP 就传 3 个 58 字节的数据报。

UDP的缓冲区

UDP没有真正意义上的发送缓冲区，但是具有接收缓冲区。但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃。

UDP 深度解析：传输层协议核心原理与套接字编程实战

文章目录

一.认识IP地址及端口号

什么是IP地址？

什么是端口号？

标识一个通信

拓展：netstat命令

二.套接字的概念

三.网络字节序

什么是字节序？

网络字节序

四.套接字常用接口

注意事项及 sockaddr 结构介绍：

创建套接字：

绑定端口号：

struct sockaddr_in 的设置：

监听套接字：

接收请求：

连接套接字：

接收数据：

发送数据：

五.实现简单的UDP服务器

服务器的初始化（套接字的创建绑定）

服务器接受与发送数据

六.UDP协议剖析

UDP协议格式

UDP如何将报头与有效载荷进行分离？

UDP如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

UDP数据封装与分用是如何实现的？

UDP协议的特点

面向数据报

UDP的缓冲区

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