Linux应用 UDP网络编程

1、前言

1.1 定义

UDP 是一种无连接的传输协议，它不需要在通信之前建立连接，也不保证数据传输的可靠性。UDP 将数据打包成数据报进行传输，不进行数据分段和重组，因此传输效率较高。

1.2 应用场景

• 实时性要求高的应用：由于 UDP 不保证数据传输的可靠性，适用于实时性要求高的应用，如音频/视频流的传输、在线游戏等。
• 广播和多播通信：UDP 支持广播和多播通信，适用于需要向多个主机发送相同数据的场景。
• 简单的数据传输：对于一些简单的数据传输场景，如 DNS 查询、SNMP 等，UDP 是一个较为合适的选择。

1.3 网络中的作用

在网络分层模型中，UDP 位于传输层，与 TCP 一起为应用层提供数据传输服务。

• 为应用层提供无连接的数据传输服务：UDP 不需要建立连接，适用于一些实时性要求高、数据传输较简单的应用场景。
• 提供数据报服务：UDP 将数据打包成数据报进行传输，不进行数据分段和重组，传输效率较高。
• 支持广播和多播通信：UDP 支持向多个主机发送相同数据，适用于广播和多播通信场景。

2、常用接口

2.1 socket函数

创建一个套接字，用于后续的数据传输。

int socket(int domain, int type, int protocol);

入参：

• domain：指定协议族，通常为 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。
• type：指定套接字类型，通常为 SOCK_DGRAM 表示 UDP 套接字。
• protocol：指定协议，通常为 0 表示使用默认协议。

返回值：

• 成功时返回套接字描述符，失败时返回 -1。

2.2 blind函数

将套接字绑定到特定的IP地址和端口号。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

入参：

• sockfd：套接字描述符，由socket()函数返回
• addr：指向sockaddr结构体的指针，包含要绑定的IP地址和端口号信息
• addrlen：sockaddr结构体的长度

返回值：

• 成功时返回0，失败时返回-1

2.3 sendto函数

向指定地址发送数据。

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

入参：

• sockfd：套接字描述符。
• buf：指向要发送数据的缓冲区。
• len：要发送数据的长度。
• flags：发送标志，通常为 0。
• dest_addr：目标地址的结构体指针，可以是 struct sockaddr_in 或 struct sockaddr_in6。
• addrlen：目标地址结构体的长度。

返回值：

• 成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1。

2.4 recvfrom 函数

从指定的目标地址接收数据。

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

入参：

• sockfd：套接字描述符
• buf：指向接收数据的缓冲区
• len：缓冲区长度
• flags：接收控制标志，一般设为0
• src_addr：指向发送方地址信息的sockaddr结构体指针
• addrlen：发送方地址结构体的长度

返回值：

• 成功时返回接收的字节数，失败时返回-1

3、编程测试

3.1 一般编程步骤

UDP 服务器端编程流程：

• 创建套接字：调用socket()函数创建一个UDP套接字。

• 绑定地址：调用bind()函数将服务器端地址绑定到套接字上。

• 接收数据：循环调用recvfrom()函数接收客户端发送的数据。

• 处理数据：对接收到的数据进行处理，可以根据需求进行相应的逻辑操作。

• 发送响应：根据处理结果，调用sendto()函数向客户端发送响应数据。

• 关闭套接字：通信结束后，调用close()函数关闭套接字。

UDP 客户端编程流程：

• 创建套接字：调用socket()函数创建一个UDP套接字。

• 准备数据：准备要发送的数据，并将目标服务器地址信息填入sockaddr结构体中。

• 发送数据：调用sendto()函数向服务器发送数据。

• 接收响应：调用recvfrom()函数接收服务器端的响应数据。

• 处理响应：对接收到的响应数据进行处理，可以根据需求进行相应的逻辑操作。

• 关闭套接字：通信结束后，调用close()函数关闭套接字。

3.2 服务器编程

编写服务器代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024

int main() 
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    char buffer[BUF_SIZE];

    // 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 绑定服务器地址和端口
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

    printf("UDP Server listening on port %d...\n", PORT);

    socklen_t len = sizeof(client_addr);
    
    // 接收数据
    recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
    printf("Received from client: %s\n", buffer);

    // 回复客户端数据
    sendto(sockfd, "Message received", strlen("Message received"), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, len);

    close(sockfd);
    return 0;
}

3.3 客户端编程

编写客户端代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8888
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define BUF_SIZE 1024

int main() 
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUF_SIZE] = "msg from client";

    // 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 设置服务器地址和端口
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 发送数据到服务器
    sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // 接收服务器回复的数据
    recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, NULL, NULL);
    printf("Server replied: %s\n", buffer);

    close(sockfd);
    return 0;
}

3.4 测试

开启两个终端进行测试，先开启服务器，再开启客户端，测试结果如下：

4、总结

本文讲解了UDP的定义以及应用场景，列出了编程中常用的接口，最后编写程序进行测试。