计算机基础知识——linux socket套接字udp连接分析

2016.7.5

今天早上对项目顶层文件（daemon.c）进行了分析，对其中的UDP连接进行了具体代码级分析。

1、需求分析

同样，首先我们得知道用UDP的需求分析，从昨天的分析中知道UDP支持数据量小，不支持可靠服务的传输，从项目文档“测试机程序结构”分析可以知道，接收服务器端下发的命令是用的UDP，执行测试的结果最后也是以UDP的形式发送给服务器。同时还要监听测试结果进程，将测试结果发送给套接字中。

个人理解上来看，执行最后的测试结果有应该是一个大文件，并且传输的时候应该保证有效性，应该选用TCP连接，这里是个疑问？

2、UDP连接原理分析

前面已经讲述了socket套接字的说明，包括其数据结构是怎么样的，形象的比喻就是：socket就是一个口袋，一个洞，用户可以通过这个洞直接与网络协议栈打交道，完成网络通信，基于它就是因为抽象接口封装，简单。这里就直接给出了UDP连接的通信流程：

典型的UDP客户端/服务器通讯过程如下图所示：

从这个图上可以看出，由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现，可能反而会需要更多代码。

可以看到，我们的测试机仍然是服务器端，服务器端比直接TCP的程序流程要简单，没有监听listen()这个动作了，直接调用recvfrom()函数对端口号的监听，这个函数没有数据到来时候一直阻塞，有请求后就知道通过地址，知道数据来自哪个端口号，从而判断是什么数据。

3、UDP连接代码分析（需要说明的是：这里以项目的daemon.c代码为例 ）

按照上述的服务器端的流程，我们一步步按照流程进行代码级的分析：

（1）定义一个socket套接字

定义套接字时候会要传入对应的参数，如上图所示，对套接字的数据结构的说明，在之前的TCP分析中已经有说明了。

（2）bind绑定套接字的地址和端口号

bind的用法和TCP连接一样，没有什么区别。

（3）recvfrom阻塞等待客户端请求

recvfrom()函数的原型解释：

recvfrom()
简述：
  接收一个数据报并保存源地址。
  #include <winsock.h>
  int PASCAL FAR recvfrom( SOCKET s, char FAR* buf, int len, int flags,
  struct sockaddr FAR* from, int FAR* fromlen);
  s：标识一个已连接套接口的描述字。
  buf：接收数据缓冲区。
  len：缓冲区长度。
  flags：调用操作方式。
  from：（可选）指针，指向装有源地址的缓冲区。
  fromlen：（可选）指针，指向from缓冲区长度值。

注释：

本函数由于从（已连接）套接口上接收数据，并捕获数据发送源的地址。

对于SOCK_STREAM类型的套接口，最多可接收缓冲区大小个数据。如果套接口被设置为线内接收带外数据（选项为SO_OOBINLINE），且有带外数据未读入，则返回带外数据。应用程序可通过调用ioctlsocket()的SOCATMARK命令来确定是否有带外数据待读入。对于SOCK_STREAM类型套接口，忽略from和fromlen参数。

对于数据报类套接口，队列中第一个数据报中的数据被解包，但最多不超过缓冲区的大小。如果数据报大于缓冲区，那么缓冲区中只有数据报的前面部分，其他的数据都丢失了，并且recvfrom()函数返回WSAEMSGSIZE错误。

若from非零，且套接口为SOCK_DGRAM类型，则发送数据源的地址被复制到相应的sockaddr结构中。fromlen所指向的值初始化时为这个结构的大小，当调用返回时按实际地址所占的空间进行修改。

如果没有数据待读，那么除非是非阻塞模式，不然的话套接口将一直等待数据的到来，此时将返回SOCKET_ERROR错误，错误代码是WSAEWOULDBLOCK。用select()或WSAAsynSelect()可以获知何时数据到达。

如果套接口为SOCK_STREAM类型，并且远端“优雅”地中止了连接，那么recvfrom()一个数据也不读取，立即返回。如果立即被强制中止，那么recv()将以WSAECONNRESET错误失败返回。

在套接口的所设选项之上，还可用标志位flag来影响函数的执行方式。也就是说，本函数的语义既取决于套接口选项，也取决于标志位参数。标志位可取下列值：

值意义:

MSG_PEEK 查看当前数据。数据将被复制到缓冲区中，但并不从输入队列中删除。
MSG_OOB 处理带外数据（参见2.2.3节具体讨论）。

返回值：

若无错误发生，recvfrom()返回读入的字节数。如果连接已中止，返回0。否则的话，返回SOCKET_ERROR错误，应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。

错误代码：
WSANOTINITIALISED：在使用此API之前应首先成功地调用WSAStartup()。
WSAENETDOWN：WINDOWS套接口实现检测到网络子系统失效。
WSAEFAULT：fromlen参数非法；from缓冲区大小无法装入端地址。
WSAEINTR：阻塞进程被WSACancelBlockingCall()取消。
WSAEINPROGRESS：一个阻塞的WINDOWS套接口调用正在运行中。
WSAEINVAL：套接口未用bind()进行捆绑。
WSAENOTCONN：套接口未连接（仅适用于SOCK_STREAM类型）。
WSAENOTSOCK：描述字不是一个套接口。
WSAEOPNOTSUPP：指定了MSG_OOB，但套接口不是SOCK_STREAM类型的。
WSAESHUTDOWN：套接口已被关闭。当一个套接口以0或2的how参数调用shutdown()关闭后，无法再用recv()接收数据。
WSAEWOULDBLOCK：套接口标识为非阻塞模式，但接收操作会产生阻塞。
WSAEMSGSIZE：数据报太大无法全部装入缓冲区，故被剪切。
WSAECONNABORTED：由于超时或其他原因，虚电路失效。
WSAECONNRESET：远端强制中止了虚电路。

看实例代码中是如何运用的：

recvfrom操作自带有阻塞功能，当没有接受到请求的时候自己阻塞，等待请求的到来，接受到了请求，同时接受请求 的数据，将数据放到buf中，因为udp是少数据流的协议控制，所以说很少有不能一次copy所有的情况，所以传来的数据直接到buf里面即可，后面的工作就是对buf的数据进行相应的操作了。

ret是recv的返回值，表示接受数据的大小。

前面讨论过我们的测试系统实际上的udp的套接字完成了两个端口的监听，第一个服务器端的监听，第二个是用本地通信端口的监听，所以在实际代码中还有另外一个套接字，完成的也是上述的定义、绑定初始化，然后进行recv监听，代码如下：

分析和上面的调用一样，没有什么好分析的。

（4）sendto()发送数据给客户端

在我们系统测试完整个操作之后，测试结果通过UDP本地进程的通信发送给UDP的buf中，然后在通过UDP连接从buf中把数据发送到服务器上，完成结果的交付工作。

那么这样存在一个问题，他们的buf是不是一样的？？？会不会有重叠的问题出现？？？？

select函数对max_sd套接字进行可读性的监听，所以任何时候可以同时监听到这三个套接字。但是我们的代码是顺序执行的，buf是共用的，buf首先会给tcp使用，再然后给udp使用，每个使用过程中，会最后将buf下发下去，数据也就没有用了。之后在给下一个用。

所以对于udp来说，udp如果监听到了msg套接字的连接请求，相应后将数据放到对应的buf中，然后这个时候才建立一个新的socket，这个套接字用于想服务器传送之前的数据，但是这个时候其实我们是知道服务器的地址的端口号的，不需要在进行新的绑定了，建立了这个心的socket，直接向服务器端发送该数据即可。

首先定义一个传输的新套接字：

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)

SOCK_DGRAM是无保障的面向消息的socket，主要用于在网络上发广播消息。

两个重要的类型是SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM。SOCK_STREAM表明数据向字符流一样通过socket，但是SOCK_DGRAM则表明数据是以数据报的形式通过socket的

这里定义的套接字规定了其发送的数据是数据包的形式，证明了是一个包，对方需要对这个包解析，有头部的。

然后进行设备套接字选项，设备此套接字可以重用本地的端口号和地址：

setsockpt()函数说明如下：

int setsockopt (
  SOCKET s,                
  int level,              
  int optname,             
  const char FAR * optval, 
  int optlen               
);

The Windows Sockets setsockopt function sets a socket option.
中文解释好像是：设置套接字的选项。
先看如下代码：

setsockopt(SockRaw,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char *)&flag,sizeof(int))

这里是设置SockRaw这个套接字的ip选项中的IP_HDRINCL
参考以下资料：

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Linux网络编程--8. 套接字选项

有时候我们要控制套接字的行为(如修改缓冲区的大小),这个时候我们就要控制套接字的选项了.

8.1 getsockopt和setsockopt　

int getsockopt(int sockfd,int level,int optname,void *optval,socklen_t *optlen)
int setsockopt(int sockfd,int level,int optname,const void *optval,socklen_t *optlen)

level指定控制套接字的层次.可以取三种值:
1)SOL_SOCKET:通用套接字选项.
2)IPPROTO_IP:IP选项.
3)IPPROTO_TCP:TCP选项.　

optname指定控制的方式(选项的名称),我们下面详细解释　
optval获得或者是设置套接字选项.根据选项名称的数据类型进行转换　

选项名称　　　　　　　　说明　　　　　　　　　　　　　　　　　　数据类型

========================================================================

　　　　　　　　　　　　SOL_SOCKET

------------------------------------------------------------------------

SO_BROADCAST　　　　　　允许发送广播数据　　　　　　　　　　　　int

SO_DEBUG　　　　　　　　允许调试　　　　　　　　　　　　　　　　int

SO_DONTROUTE　　　　　　不查找路由　　　　　　　　　　　　　　　int

SO_ERROR　　　　　　　　获得套接字错误　　　　　　　　　　　　　int

SO_KEEPALIVE　　　　　　保持连接　　　　　　　　　　　　　　　　int

SO_LINGER　　　　　　　 延迟关闭连接　　　　　　　　　　　　　　struct linger

SO_OOBINLINE　　　　　　带外数据放入正常数据流　　　　　　　　　int

SO_RCVBUF　　　　　　　 接收缓冲区大小　　　　　　　　　　　　　int

SO_SNDBUF　　　　　　　 发送缓冲区大小　　　　　　　　　　　　　int

SO_RCVLOWAT　　　　　　 接收缓冲区下限　　　　　　　　　　　　　int

SO_SNDLOWAT　　　　　　 发送缓冲区下限　　　　　　　　　　　　　int

SO_RCVTIMEO　　　　　　 接收超时　　　　　　　　　　　　　　　　struct timeval

SO_SNDTIMEO　　　　　　 发送超时　　　　　　　　　　　　　　　　struct timeval

linux下，如果一个进程帮定某个port，那当进程结束时，该port仍然会被继续占用几十秒，在这段时间内尝试对

该port的绑定都会返回失败。解决方法：调用setsockopt()启用SO_REUSERADDR属性

SO_REUSERADDR　　　　　 允许重用本地地址和端口　　　　　　　　　int

SO_TYPE　　　　　　　　 获得套接字类型　　　　　　　　　　　　　int

SO_BSDCOMPAT　　　　　　与BSD系统兼容　　　　　　　　　　　　　 int

==========================================================================

　　　　　　　　　　　　IPPROTO_IP

--------------------------------------------------------------------------

IP_HDRINCL　　　　　　　在数据包中包含IP首部　　　　　　　　　　int

IP_OPTINOS　　　　　　　IP首部选项　　　　　　　　　　　　　　　int

IP_TOS　　　　　　　　　服务类型

IP_TTL　　　　　　　　　生存时间　　　　　　　　　　　　　　　　int

==========================================================================

　　　　　　　　　　　　IPPRO_TCP

--------------------------------------------------------------------------

TCP_MAXSEG　　　　　　　TCP最大数据段的大小　　　　　　　　　　 int

TCP_NODELAY　　　　　　 不使用Nagle算法　　　　　　　　　　　　 int

=========================================================================

详细的选项请用 man ioctl_list 查看.

udp固定端口发送

 sockaddr_in         cliaddr;   
 cliaddr.sin_family   =   AF_INET;   
 cliaddr.sin_port   =   htons(1025);//BTW：1024到5000间的端口是系统用于自动分配的，小心了   
 cliaddr.sin_addr.s_addr   =   htonl(INADDR_ANY);   
 bind(你的客户端socket,   (sockaddr*)&cliaddr,   sizeof(cliaddr));

最后想指定的端口发送对应的数据包即可，使用额是sendto函数，函数 原型如下：

sendto()

简述：

向一指定目的地发送数据。

  #include <winsock.h>
  int PASCAL FAR sendto( SOCKET s, const char FAR* buf, int len, int flags,
  const struct sockaddr FAR* to, int tolen);

  s：一个标识套接口的描述字。
  buf：包含待发送数据的缓冲区。
  len：buf缓冲区中数据的长度。
  flags：调用方式标志位。
  to：（可选）指针，指向目的套接口的地址。
  tolen：to所指地址的长度。

注释：

sendto()适用于已连接的数据报或流式套接口发送数据。对于数据报类套接口，必需注意发送数据长度不应超过通讯子网的IP包最大长度。IP包最大长度在WSAStartup()调用返回的WSAData的iMaxUdpDg元素中。如果数据太长无法自动通过下层协议，则返回WSAEMSGSIZE错误，数据不会被发送。请注意成功地完成sendto()调用并不意味着数据传送到达。

sendto()函数主要用于SOCK_DGRAM类型套接口向to参数指定端的套接口发送数据报。对于SOCK_STREAM类型套接口，to和tolen参数被忽略；这种情况下sendto()等价于send()。

为了发送广播数据（仅适用于SOCK_DGRAM），in参数所含地址应该把特定的IP地址INADDR_BROADCAST（winsock.h中有定义）和终端地址结合起来构造。通常建议一个广播数据报的大小不要大到以致产生碎片，也就是说数据报的数据部分（包括头）不超过512字节。

如果传送系统的缓冲区空间不够保存需传送的数据，除非套接口处于非阻塞I/O方式，否则sendto()将阻塞。对于非阻塞SOCK_STREAM类型的套接口，实际写的数据数目可能在1到所需大小之间，其值取决于本地和远端主机的缓冲区大小。可用select()调用来确定何时能够进一步发送数据。

在相关套接口的选项之上，还可通过标志位flag来影响函数的执行方式。也就是说，本函数的语义既取决于套接口的选项也取决于标志位。后者由以下一些值组成：

值意义

MSG_DONTROUTE 指明数据不选径。一个WINDOWS套接口供应商可以忽略此标志；参见2.4节中关于SO_DONTROUTE的讨论。

MSG_OOB 发送带外数据（仅适用于SO_STREAM；参见2.2.3节）。

返回值：

若无错误发生，send()返回所发送数据的总数（请注意这个数字可能小于len中所规定的大小）。否则的话，返回SOCKET_ERROR错误，应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。

看代码中实例：

方框表示的就是特定的IP地址INADDR_BROADCAST（winsock.h中有定义）和终端地址结合起来构造。

（5）关闭套接字

close(sockfd)

很简单，和之前的tcp关闭时一样的，没有什么多说的。。。。