Linux 网络编程——UDP编程

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概述
UDP 是 User Datagram Protocol 的简称， 中文名是用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议，在网络中用于处理数据包，是一种无连接的协议。UDP 不提供可靠性的传输，它只是把应用程序传给 IP 层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

UDP 有如下的特点：
1）邮件系统服务模式的抽象（可通过邮件模型来进行对比）
2）每个分组都携带完整的目的地址
3）发送数据之前不需要建立链接
4）不对数据包的顺序进行检查，不能保证分组的先后顺序
5）不进行分组出错的恢复和重传
6）不保证数据传输的可靠性

在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP 协议数据包丢失会比较严重。但是由于 UDP 的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用 UDP 较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的 ICQ 和 QQ 就是使用的 UDP 协议。

UDP 编程的 C/S 架构

UDP 客户端程序
对比于写信模型，客户端相当于寄信人，要想成功给人寄信，信封上必须写上对方的地址。

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

功能：
向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据，可以发送 0 长度的 UDP 数据包

参数：
sockfd：套接字
buf：发送数据缓冲区
nbytes：发送数据缓冲区的大小
flags：一般为 0
to：指向目的主机地址结构体的指针
addrlen：to 所指向内容的长度

返回值：
成功：发送数据的长度
失败： -1

这里通过 Windows 的网络调试助手和虚拟机中的 ubuntu 客户端程序进行通信，网络调试助手下载请点此处。

Windows 的网络调试助手作为服务器，接收客户端的请求，调试助手配置如下：

对于 UDP客户端编程流程， 有点类似于写信过程：找个邮政工作人员（ socket() ）->信封上写上地址同时里面装上信件内容并且投递（sendto() ）-> ……还可以继续写信，或者，接收对方的回信（recvfrom() ）……-> 打完收工(close() )。

虚拟机中 ubuntu 的 UDP 客户端程序：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    unsigned short port = 8080; //服务器端口  
    char *server_ip = "10.221.20.10";   //服务器ip地址  
      
    if( argc > 1 )   // main函数传参，服务器ip地址  
    {     
        server_ip = argv[1];  
    }  
      
    if( argc > 2 )   // main函数传参，服务器端口  
    {  
        port = atoi(argv[2]);  
    }  
  
    int sockfd;  
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);   //创建UDP套接字  
    if(sockfd < 0)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(-1);  
    }  
      
    // 套接字地址  
    struct sockaddr_in dest_addr;  
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));   // 清空内容  
    dest_addr.sin_family = AF_INET;     // ipv4  
    dest_addr.sin_port   = htons(port); // 端口转换  
    inet_pton(AF_INET, server_ip, &dest_addr.sin_addr); // ip地址转换  
  
    printf("send data to UDP server %s:%d!\n", server_ip, port);  
      
    while(1)  
    {  
        char send_buf[512] = "";  
        fgets(send_buf, sizeof(send_buf), stdin);//获取输入  
        send_buf[strlen(send_buf)-1] = '\0';  
        //发送数据  
        int len = sendto(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));  
        printf("len = %d\n", len);  
    }  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}  

运行结果如下：

UDP 客户端注意点：
1）本地IP、本地端口（我是谁）
2）目的IP、目的端口（发给谁）
3）在客户端的代码中，我们只设置了目的IP、目的端口
4）客户端的本地 ip、本地 port 是我们调用 sendto 的时候 Linux 系统底层自动给客户端分配的；分配端口的方式为随机分配，即每次运行系统给的 port 不一样。

UDP 服务器程序
UDP网络程序想要收取数据需什么条件？
1）确定的 ip 地址
2）确定的端口（port）

这正如，我要收到别人寄过来的信，我必须告诉别人我的地址（ip），同时告诉别人我我的公寓信箱号（端口）。

接收端使用 bind() 函数，来完成地址结构与 socket 套接字的绑定，这样 ip、port 就固定了，发送端在 sendto 函数中指定接收端的 ip、port，就可以发送数据了。

需要头文件：

#include <sys/socket.h>
int bind(    int sockfd,
const struct sockaddr *myaddr，
socklen_t addrlen );

功能：
将本地协议地址与 sockfd 绑定，这样 ip、port 就固定了

参数：
sockfd：socket 套接字
myaddr： 指向特定协议的地址结构指针
addrlen：该地址结构的长度

返回值：
成功：返回 0
失败：-1

使用实例如下：

// 本地网络地址  
struct sockaddr_in my_addr;  
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));   // 清空结构体内容  
my_addr.sin_family = AF_INET;   // ipv4  
my_addr.sin_port   = htons(port);   // 端口转换  
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0  
  
printf("Binding server to port %d\n", port);  
int err_log;  
err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定  
if(err_log != 0)  
{  
    perror("bind");  
    close(sockfd);        
    exit(-1);  
}  

绑定端口有些需要注意的问题，请看《绑定( bind )端口需要注意的问题》。

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

功能：
接收 UDP 数据，并将源地址信息保存在 from 指向的结构中，默认的情况下，如果没有接收到数据，这个函数会阻塞，直到有数据到来。

参数：
sockfd:套接字
buf：接收数据缓冲区
nbytes:接收数据缓冲区的大小
flags：套接字标志（常为 0）
from：源地址结构体指针，用来保存数据的来源
addrlen：from 所指内容的长度

返回值：
成功：接收到的长度
失败： -1

对于 UDP 服务器编程流程， 有点类似于收信过程：找个邮政工作人员（ socket() ） -> 确定信箱的位置：地址+信箱号（bind() ）-> 等待对方的来信（ recvfrom() ）-> ……还可以回信(write() )，或者，继续等待对方的来信……

ubuntu 中的服务器程序如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    unsigned short port = 8000;     // 本地端口  
    if(argc > 1)  
    {  
        port = atoi(argv[1]);  
    }  
  
    int sockfd;  
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 创建套接字  
    if(sockfd < 0)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(-1);  
    }  
      
    // 本地网络地址  
    struct sockaddr_in my_addr;  
    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));   // 清空结构体内容  
    my_addr.sin_family = AF_INET;   // ipv4  
    my_addr.sin_port   = htons(port);   // 端口转换  
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0  
      
    printf("Binding server to port %d\n", port);  
    int err_log;  
    err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定  
    if(err_log != 0)  
    {  
        perror("bind");  
        close(sockfd);        
        exit(-1);  
    }  
      
    printf("receive data...\n");  
    while(1)  
    {  
        int recv_len;  
        char recv_buf[512] = "";  
        struct sockaddr_in client_addr;  
        char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = "";//INET_ADDRSTRLEN=16  
        socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);   
          
        // 接受数据  
        recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);  
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);  
        printf("\nip:%s ,port:%d\n",cli_ip, ntohs(client_addr.sin_port));  
        printf("data(%d):%s\n",recv_len,recv_buf);  
    }  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}  

Windows 的网络调试助手作为客户端，给 ubuntu 中的服务器发送数据，调试助手配置如下：

运行结果如下：