Linux 网络编程——UDP编程

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()

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：