Question

使用recvfrom接收UDP包在Windows和Linux平台的不同表现

Answer 1

1 UDP接收原理
操作系统的UDP接收流程如下：收到一个UDP包后，验证没有错误后，放入一个包队列中，队列中的每一个元素就是一个完整的UDP包。当应用程序通过recvfrom()读取时，OS把相应的一个完整UDP包取出，然后拷贝到用户提供的内存中，物理用户提供的内存大小是多少，OS都会完整取出一个UDP包。如果用户提供的内存小于这个UDP包的大小，那么在填充慢内存后，UDP包剩余的部分就会被丢弃，以后再也无法取回。

这与TCP接收完全不同，TCP没有完整包的概念，也没有边界，OS只会取出用户要求的大小，剩余的仍然保留在OS中，下次还可以继续取出。

socket编程虽然是事实上的标准，而且不同平台提供的接口函数也非常类似，但毕竟它不存在严格的标准。所以各个平台的实现也不完全兼容。下面就从recvfrom()这个函数看看Window平台和Linux平台的不同。
2 Windows平台的表现
先看头文件中的声明：
[cpp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
int
WSAAPI
recvfrom(
_In_ SOCKET s,
_Out_writes_bytes_to_(len, return) __out_data_source(NETWORK) char FAR * buf,
_In_ int len,
_In_ int flags,
_Out_writes_bytes_to_opt_(*fromlen, *fromlen) struct sockaddr FAR * from,
_Inout_opt_ int FAR * fromlen
);

再看MSDN说明:
If the datagram or message is larger than the buffer specified, the buffer is filled with the first part of the datagram, and recvfrom generates the error WSAEMSGSIZE. For unreliable protocols (for example, UDP) the excess data is lost.
可以看出，buf大小小于UDP包大小的时候，recvfrom()会返回-1，并设置错误WSAEMSGSIZE。
实际编程测试验证确实是这样的表现。
3 Linux平台的表现
先看头文件中的声明：
[cpp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
__extern_always_inline ssize_t
recvfrom (int __fd, void *__restrict __buf, size_t __n, int __flags,
__SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t *__restrict __addr_len)

可以看出与Windows平台的函数原型相同。但是在其man手册里，没有看到UDP包大于接收缓冲区情况的特殊说明。
写代码测试表明，buf小于UDP包大小的时候，recvfrom()仍然返回复制到缓冲区的字节数，调用者无法得知UDP包被截断的情况。
4 写代码注意事项
UDP包最大是多大呢？UDP头部大小字段占16字节，所以理论上是65535个字节大小。但是UDP如果是通过IP（大多数情况）来传送，由于UDP本身不支持分片，所以一个UDP包只能通过一个IP包来传送，一个IP包大大小理论上也是用16字节表示，这样UDP最大大小就是（65535-IP头部）。

而现实中如果IP包大小大于底层链路层帧的最大数据区大小，则必须对IP包进行分片传送。分片会严重影响传送效率，而且增大不稳定性，所以实际的网络程序发送的IP包都封装到单一的链路层帧中，从而避免分片。问题是链路层帧是多大呢？答案是不一定，因为不同的物理网络的帧大小不一样，如以太网是1500字节，但是其他物理网络可能更小，Internet上的有个最小的限制，那就是576字节。如果UDP程序运行在只运行在以太网中，那么为了避免IP分片，可以采用的最大大小为(1500-20-8)=1472字节。如果UDP程序需要运行在Internet上，那么建议最大大小为(576-20-8)=548字节。

上面是实践中的最佳UDP大小，但是并不是所有程序都采用上述经验，所以对于接收缓冲区的大小也就没有一个标准，而是取决于应用程序设计者本身。虽然对于Windows平台，recvfrom()能够提示调用者buf过小的问题，但是即使得到了这个错误，包还是被丢弃了。所以在接收UDP包时，一定要事先了解应用层设计的最大UDP包大小，然后按照最大值开辟接收缓冲区。