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一、端口号
端口号port标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序。
- 0 ~ 1023：系统端口号，HTTP、FTP、SSH等这些广为使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的系统端口号（知名端口号）
- 1024 ~ 65535：操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号，可有操作系统分配或程序员分配（普通端口号）
知名端口号（Well-Know Port Number）：
- ftp服务器：21
- ssh服务器：22
- telnet服务器：23
- http服务器：80
- https服务器：443
查看知名端口号：cat /etc/services
netstat：一个用来查看网络状态的重要工具
语法：netstat -[选项]
- n：拒绝显示别名，能显示数字的全部显示数字
- l：仅列出有在 listen 状态的服务状态
- p：显示建立相关连接的程序名
- t：仅显示tcp相关选项
- u：仅显示udp相关选项
- a：显示所有选项，默认不显示 listen 相关
pidof：查看服务器的进程id（通过进程名查看进程id）
语法：pidof [进程名]
端口号 -----> 进程（唯一关系）
- 一个端口号是否可以被多个进程bind？不可以，端口号指向进程必须唯一
- 一个进程是否可以绑定多个端口号？可以，进程指向端口号不一定唯一
二、UDP报头格式
- 16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度（64K）
- 如果检验和出错，数据直接丢弃
- 定长报头，报头的本质是结构化数据
三、UDP的特点
UDP传输的过程类似于寄信：
- 无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接
- 不可靠：没有确认机制，没有重传机制，如果因为网络故障导致数据段无法发送，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息
- 面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并，不能够灵活的控制读写数据的次数和数量
UDP的缓冲区：
- UDP没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，由内核将数据报传给网络层协议进行后续的传输处理
- UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文的顺序和发送UDP报文的顺序一致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃
UDP的socket既能读，也能写，这就是全双工概念。
基于UDP的常用应用层协议：
- NFS：网络文件系统
- TFTP：简单的文件传输协议
- DHCP：动态主机配置协议
- BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
- DNS：域名解析协议
UDP协议的应用场景多为视频网站、直播平台等不担心数据包丢失的情况。
四、UDP协议实现网络聊天群
设计思路：
- 服务器与客户端通过udp协议通信，即server和client都需要创建自己的socket套接字
- server创建完socket套接字之后，需要将server自身的ip和port和套接字bind绑定 ，client的套接字不需要显式bind绑定（由OS自动绑定）
- server先运行 ，通过**recvfrom()**向数据的接收缓冲区循环读取数据
- client在运行的时候指定server的ip和port ，通过**sendto()**向服务器的接收缓冲区发送数据
- User.h头文件，进行在线用户管理 ，通过ip和port形成用户信息结构体，可以进行在线用户的添加、删除、判断，并且在server接收到数据的时候，进行广播（对所有在线用户发送刚刚接收到的数据）
- 所有在线用户信息通过一个静态全局变量的哈希表管理，key值是ip-port组成的字符串
- client在运行的时候就会进行一次线程分离，分离出去的线程循环读取并打印client自身的接收缓冲区内的数据（来自广播的数据）
**设计效果：**当多个client连接server之后，只要是online登录了的用户，都可以向server发送数据的同时看到自己和其他登录用户发送的数据，这就是网络聊天群
User.h
cpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unordered_map>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
class User
{
public:
User(const std::string& ip, const uint16_t& port)
: _ip(ip), _port(port)
{}
std::string ip()
{
return _ip;
}
uint16_t port()
{
return _port;
}
private:
std::string _ip;
uint16_t _port;
};
class OnlineUser
{
public:
OnlineUser()
{}
void AddUser(const std::string& ip, const uint16_t& port)
{
std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
_users.insert(std::make_pair(id, User(ip, port)));
}
void DelUser(const std::string& ip, const uint16_t& port)
{
std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
_users.erase(id);
}
bool IsOnline(const std::string& ip, const uint16_t& port)
{
std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
return _users.find(id) != _users.end();
}
void BroadcastMessage(int sockfd, const std::string& message, const std::string& ip, const uint16_t& port)
{
for (auto& user : _users)
{
struct sockaddr_in client;
client.sin_family = AF_INET;
client.sin_addr.s_addr = inet_addr(user.second.ip().c_str());
client.sin_port = htons(user.second.port());
std::string s = "[" + ip + "-" + std::to_string(port) + "]" + "# " + message;
sendto(sockfd, s.c_str(), s.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
}
}
private:
std::unordered_map<std::string, User> _users;
};server.cpp
cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <memory>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "User.h"
using namespace std;
typedef function<void(int, string, uint16_t, string)> func_t;
static string defaultIP = "0.0.0.0";
class UdpServer
{
public:
UdpServer(const func_t& func, const uint16_t& port, const string& ip = defaultIP)
: _cb(func), _port(port), _ip(ip)
{}
void Init()
{
// 1. 创建套接字
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (_sockfd < 0)
{
cerr << "socket error: " << errno << strerror(errno) << endl;
exit(errno);
}
// 2. 绑定 ip:port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // Address to accept any incomit message -------> 任意地址绑定
// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // string ---> uint32_t ---> htonl
local.sin_port = htons(_port);
int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));
if (n < 0)
{
cerr << "bind error: " << errno << strerror(errno) << endl;
exit(errno);
}
}
void Start()
{
char buf[1024];
while (true)
{
struct sockaddr_in peer;
socklen_t peer_len = sizeof(peer);
ssize_t n = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &peer_len);
if (n > 0)
{
buf[n] = 0;
string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 网络序列 ---> 整型 ---> 点分十进制
uint16_t client_port = ntohs(peer.sin_port);
string message = buf;
cout << client_ip << "[" << client_port << "]# " << message << endl;
_cb(_sockfd, client_ip, client_port, message);
}
}
}
private:
string _ip;
uint16_t _port;
int _sockfd;
func_t _cb;
};
// 聊天群在线用户，静态全局变量
static OnlineUser g_online_users;
// 处理message，server与业务逻辑解耦
void RouteMessage(int sockfd, string client_ip, uint16_t client_port, string message)
{
if (message == "online")
g_online_users.AddUser(client_ip, client_port);
if (message == "offline")
g_online_users.DelUser(client_ip, client_port);
if (g_online_users.IsOnline(client_ip, client_port))
{
g_online_users.BroadcastMessage(sockfd, message, client_ip, client_port);
}
else
{
struct sockaddr_in client;
bzero(&client, sizeof(client));
client.sin_family = AF_INET;
client.sin_addr.s_addr = inet_addr(client_ip.c_str());
client.sin_port = htons(client_port);
string response = "你还没有登录，请输入online登录加入聊天群";
sendto(sockfd, response.c_str(), response.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
}
}
void Usage()
{
cout << "Usage: \n\t" << "server port" << endl;
exit(1);
}
int main(int args, char* argv[])
{
if (args != 2)
Usage();
uint16_t port = atoi(argv[1]);
unique_ptr<UdpServer> udp_server(new UdpServer(RouteMessage, port));
udp_server->Init();
udp_server->Start();
return 0;
}client.cpp
cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "User.h"
using namespace std;
class UdpClient
{
public:
UdpClient(const string& server_ip, const uint16_t& server_port)
: _server_ip(server_ip), _server_port(server_port), _sockfd(-1), _quit(false)
{}
void Init()
{
// 1. 创建套接字
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
assert(_sockfd != -1);
cout << "socket seccess: " << _sockfd << endl;
// 2. 绑定bind，不需要显示绑定，由os分配
}
static void* ReadMessage(void* args)
{
int sockfd = *(static_cast<int*>(args));
pthread_detach(pthread_self()); // 线程分离
while (true)
{
char buf[1024];
struct sockaddr_in tmp;
socklen_t tmp_len = sizeof(tmp);
ssize_t n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&tmp, &tmp_len);
if (n >= 0)
buf[n] = 0;
cout << "\r" << buf << "\n";
}
return nullptr;
}
void Run()
{
pthread_create(&_reader, nullptr, ReadMessage, (void*)&_sockfd);
struct sockaddr_in server;
memset(&server, 0, sizeof(server));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());
server.sin_port = htons(_server_port);
string message;
while (!_quit)
{
fprintf(stderr, "Enter:# ");
fflush(stderr);
getline(cin, message);
message[message.size()] = 0;
sendto(_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
usleep(100);
}
}
private:
string _server_ip;
uint16_t _server_port;
int _sockfd;
bool _quit;
pthread_t _reader;
};
void Usage()
{
cout << "Usage: \n\t" << "client ip port" << endl;
}
int main(int args, char* argv[])
{
if (args != 3)
Usage();
string server_ip = argv[1];
uint16_t server_port = atoi(argv[2]);
unique_ptr<UdpClient> udp_client(new UdpClient(server_ip, server_port));
udp_client->Init();
udp_client->Run();
return 0;
}运行效果：
