UDP编程流程（UDP客户端、服务器互发消息流程）

小缺在学习2024-05-10 11:32

一、UDP编程流程

1.1、 UDP概述

UDP，即用户数据报协议，是一种面向无连接的传输层协议。相比于TCP协议，UDP具有以下特点：

  1. 速度较快：由于UDP不需要建立连接和进行复杂的握手过程，因此在传输数据时速度稍快于TCP协议。
  2. 适用于简单的请求/应答应用程序：对于一些简单的、对可靠性要求不高的应用程序，如DNS查询和SNMP请求，UDP能够提供高效的传输服务。
  3. 不适用于海量数据传输：由于UDP不提供可靠的数据传输机制，因此在进行大数据传输时容易出现丢包和乱序的情况，不建议使用UDP进行此类传输。
  4. 广播和多播应用必须使用UDP：UDP支持广播和多播传输，因此对于需要进行广播和多播的应用，如视频直播和组播通信，必须使用UDP协议。

UDP应用：

UDP协议被广泛应用于各种网络应用中，包括但不限于以下几种：

  • DNS（域名解析）：DNS使用UDP进行域名解析请求和响应的传输，以提高查询速度。
  • NFS（网络文件系统）：NFS使用UDP进行文件操作请求和响应的传输，以提高文件访问速度。
  • RTP（实时传输协议）：RTP使用UDP进行实时音视频数据的传输，以减少延迟。

此外，一些实时性要求较高的应用，如在线游戏和VoIP通话，也会选择使用UDP协议来减少延迟，提高用户体验

1.2、网络编程接口socket

Socket，也被称为"套接字"，是网络编程中用于实现不同主机上进程间通信的一种技术。它提供了一种将网络通信抽象为文件操作的接口，使得程序员可以通过简单的函数调用来实现复杂的网络通信功能。

Socket的特点

  1. 文件描述符：Socket是一种文件描述符，它代表了一个通信管道的端点。通过Socket，我们可以像操作文件一样，使用read、write、close等函数来发送和接收网络数据。
  2. 通信端点：Socket是网络通信的端点，每个Socket都有一个唯一的地址，通过这个地址，我们可以与远程主机上的Socket进行通信。
  3. 网络数据操作：通过Socket，我们可以方便地进行网络数据的发送和接收。Socket提供了丰富的函数接口，如send、recv、sendto、recvfrom等，用于各种网络数据操作。
  4. Socket函数：要获得一个Socket，我们需要调用socket()函数。该函数返回一个Socket描述符，用于后续的网络通信操作。

Socket的分类

根据使用的协议和通信方式的不同，Socket可以分为以下几种类型：

  • SOCK_STREAM：流式套接字，用于TCP协议。它提供了可靠的、面向连接的通信方式，数据以流的形式传输，可以保证数据的可靠性和顺序性。
  • SOCK_DGRAM：数据报套接字，用于UDP协议。它提供了不可靠、无连接的通信方式，数据以数据报的形式传输，不保证数据的可靠性和顺序性。
  • SOCK_RAW：原始套接字，用于其他层次的协议操作。它允许直接访问网络层数据，可以用于实现自定义的网络协议。

1.3 UDP编程C/S架构

UDP网络编程流程：

服务器： 创建套接字 socket( )

将服务器的ip地址、端口号与套接字进行绑定 bind( )

接收数据 recvfrom()

发送数据 sendto()
客户端： 创建套接字 socket()

发送数据 sendto()

接收数据 recvfrom()

关闭套接字 close()

二、UDP编程-创建套接字

2.1 创建socket套接字

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：
    创建一个套接字，返回一个文件描述符
参数：
    domain：通信域，协议族
    AF_UNIX 本地通信
    AF_INET ipv4网络协议
    AF_INET6 ipv6网络协议
    AF_PACKET 底层接口
type：
  套接字的类型
    SOCK_STREAM 流式套接字（tcp）
    SOCK_DGRAM 数据报套接字（udp）
    SOCK_RAW 原始套接字（用于链路层）
protocol：
    附加协议，如果不需要，则设置为0
返回值：
    成功：文件描述符
    失败：-1

特点

  • 创建套接字时，系统不会分配端口
  • 创建的套接字默认属性是主动的，即主动发起服务的请求;当作为服务器时，往往需要修改为被动的

2.2举例创建套接字

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    // 使用socket函数创建套接字
    // 创建一个用于UDP网络编程的套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }
    printf("sockfd = %d\n", sockfd);
    return 0;
}

使用socket()函数创建了一个UDP类型的套接字，并打印出该套接字的文件描述符。如果创建套接字失败，则会输出错误信息并退出程序。

执行结果

三、UDP编程-发送、绑定、接收数据

3.1 IPv4套接字地址结构

在网络编程中经常使用的结构体

头文件：#include <netinet/in.h>

cpp 复制代码 
  struct in_addr
  { 
    in_addr_t s_addr;//ip地址 4字节
  };
cpp 复制代码 
struct sockaddr_in
  {
    sa_family_t sin_family;//协议族 2字节
    in_port_t sin_port;//端口号 2字节
    struct in_addr sin_addr;//ip地址 4字节
    char sin_zero[8]//填充，不起什么作用 8字节
  };

为了使不同格式地址能被传入套接字函数,地址须要强制转换成通用套接字地址结构，原因是因为不同场合所使用的结构体不一样，但是调用的函数却是同一个，所以定义一个通用结构体，当在指定场合使用时，在根据要求传入指定的结构体即可

通用结构体 sockaddr

头文件:#include

cpp 复制代码 
struct sockaddr
  { 
    sa_family_t sa_family; // 2字节
    char sa_data[14] //14字节
  };

3.2 两种地址结构使用场合

在定义源地址和目的地址结构的时候，选用struct sockaddr_in;

例：

struct sockaddr_in my_addr;

当调用编程接口函数，且该函数需要传入地址结构时需要用struct sockaddr进行强制转换

例：

bind(sockfd,(struct sockaddr* )&my_addr,sizeof(my_addr));

3.3 发送数据---sendto函数

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

**功能： sendto**函数用于通过套接字发送数据。

参数：

  • sockfd：文件描述符，由socket函数返回。
  • buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
  • len：要发送的数据的长度。
  • flags：标志位，用于指定发送操作的行为。常见的标志位有：
    • 0：阻塞模式，函数会一直等待直到数据发送完成。
    • MSG_DONTWAIT：非阻塞模式，如果数据不能立即发送，函数会立即返回错误。
  • dest_addr：指向目的网络信息结构体的指针，用于指定数据发送的目标地址。
  • addrlen：目的网络信息结构体的长度。

返回值：

  • 成功：返回发送的字节数。
  • 失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因。

sendto函数是网络编程中常用的函数之一，它允许我们向指定的目标地址发送数据。在使用该函数时，我们需要正确地指定目的地址和地址长度，以确保数据能够准确地发送到目标。同时，我们也需要注意选择合适的标志位，以满足不同的发送需求。

3.4 向"网络调试助手"发送消息

我们用一个"网络调试助手"的软件来模拟服务器，给服务器发送消息。

客户端的代码编写

cpp 复制代码 
#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h> 

#define N 128

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //./a.out 192.168.3.78 8080
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage：%s ip port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    //第一步：创建套接字
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    printf("sockfd = %d\n", sockfd);

    //第二步：填充服务器网络信息结构体 sockaddr_in
    struct sockaddr_in serveraddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);

    serveraddr.sin_family = AF_INET; //协议族，AF_INET：ipv4网络协议
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //ip地址
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    //第三步：发送数据
    char buf[N] = "";
    while(1)
    {
        fgets(buf, N, stdin);
        buf[strlen(buf) - 1] = '\0'; //把buf字符串中的\n转化为\0

        if(sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) == -1)
        {
            perror("fail to sendto");
            exit(1);
        }
    }

    //第四步：关闭套接字文件描述符
    close(sockfd);

    return 0;
}

执行结果

3.5 绑定--bind函数

UDP网络程序想要收取数据需什么条件？

确定的ip地址

确定的port

怎样完成上面的条件呢？

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

由于服务器是被动的，客户端是主动的，所以一般先运行服务器，后运行客户端，所以服务 器需要固定自己的信息（ip地址和端口号），这样客户端才可以找到服务器并与之通信，但 是客户端一般不需要bind绑定，因为系统会自动给客户端分配ip地址和端口号

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：
    将套接字与网络信息结构体绑定
参数：
    sockfd：文件描述符，socket的返回值
    addr：网络信息结构体

通用结构体（一般不用）
    struct sockaddr
网络信息结构体 
    sockaddr_in

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in
addrlen：addr的长度
返回值：
    成功：0
    失败：-1

3.6 bind示例

cpp 复制代码 
//第二步：将服务器的网络信息结构体绑定前进行填充
struct sockaddr_in serveraddr;
serveraddr.sin_family = AF_INET;
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

//第三步：将网络信息结构体与套接字绑定
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) == -1)
{
    perror("fail to bind");
    exit(1);
}

3.7 接收数据---recvfrom 函数

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：
    接收数据
参数：
    sockfd：文件描述符，socket的返回值
    buf：保存接收的数据
    len：buf的长度
    flags：标志位
        0 阻塞
        MSG_DONTWAIT 非阻塞
    src_addr：源的网络信息结构体（自动填充，定义变量传参即可）
    addrlen：src_addr的长度

返回值：
    成功：接收的字节数
    失败：-1

3.8 接收"网络调试助手"的数据

此时我们把刚刚也用到过的网络调试助手作为客户端，ubuntu的程序作为服务器

设置服务器（ubuntu程序）

cpp 复制代码 
#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h> 

#define N 128

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s ip port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    //第一步：创建套接字
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //第二步：将服务器的网络信息结构体绑定前进行填充
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //192.168.3.103
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); //9999

    //第三步：将网络信息结构体与套接字绑定
    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) == -1)
    {
        perror("fail to bind");
        exit(1);
    }

    //接收数据
    char buf[N] = "";
    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
    while(1)
    {
        if(recvfrom(sockfd, buf, N, 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, &addrlen) == -1)
        {
            perror("fail to recvfrom");
            exit(1);
        }

        //打印数据
        //打印客户端的ip地址和端口号
        printf("ip:%s, port:%d\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));
        //打印接收到数据
        printf("from client: %s\n", buf);
    }

    return 0;
}

执行结果

四、UDP编程-client、server

接下来我们就可以自己实现服务器与客户端互发消息了

4.1 UDP客户端

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

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

cpp 复制代码 
//udp客户端的实现
#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int sockfd; //文件描述符
    struct sockaddr_in serveraddr; //服务器网络信息结构体
    socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);

    //第一步：创建套接字
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //客户端自己指定自己的ip地址和端口号，一般不需要，系统会自动分配
    #if 0
    struct sockaddr_in clientaddr;
    clientaddr.sin_family = AF_INET;
    clientaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]); //客户端的ip地址
    clientaddr.sin_port = htons(atoi(argv[4])); //客户端的端口号
    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, addrlen) < 0)
    {
        perror("fail to bind");
        exit(1);
    }
    #endif

    //第二步：填充服务器网络信息结构体
    //inet_addr：将点分十进制字符串ip地址转化为整形数据
    //htons：将主机字节序转化为网络字节序
    //atoi：将数字型字符串转化为整形数据
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    //第三步：进行通信
    char buf[32] = "";
    while(1)
    {
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        buf[strlen(buf) - 1] = '\0';

        if(sendto(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) < 0)
        {
            perror("fail to sendto");
            exit(1);
        }

        char text[32] = "";
        if(recvfrom(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, &addrlen) < 0)
        {
            perror("fail to recvfrom");
            exit(1);
        }
        printf("from server: %s\n", text);
    }
    //第四步：关闭文件描述符
    close(sockfd);

    return 0;
}

4.3 UDP服务器

1、服务器之所以要bind是因为它的本地port需要是固定，而不是随机的

2、服务器也可以主动地给客户端发送数据

3、客户端也可以用bind，这样客户端的本地端口就是固定的了，但一般不这样做

cpp 复制代码 
//udp服务器的实现
#include <stdio.h> //printf
#include <stdlib.h> //exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> //socket
#include <netinet/in.h> //sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> //htons inet_addr
#include <unistd.h> //close
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <ip> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int sockfd; //文件描述符
    struct sockaddr_in serveraddr; //服务器网络信息结构体
    socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);

    //第一步：创建套接字
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //第二步：填充服务器网络信息结构体
    //inet_addr：将点分十进制字符串ip地址转化为整形数据
    //htons：将主机字节序转化为网络字节序
    //atoi：将数字型字符串转化为整形数据
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    //第三步：将套接字与服务器网络信息结构体绑定
    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) < 0)
    {
        perror("fail to bind");
        exit(1);
    }

    while(1)
    {
        //第四步：进行通信
        char text[32] = "";
        struct sockaddr_in clientaddr;
        if(recvfrom(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, &addrlen) < 0)
        {
            perror("fail to recvfrom");
            exit(1);
        }
        printf("[%s - %d]: %s\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port), text);
        
        strcat(text, " *_*");

        if(sendto(sockfd, text, sizeof(text), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, addrlen) < 0)
        {
            perror("fail to sendto");
            exit(1);
        }
    }

    //第四步：关闭文件描述符
    close(sockfd);

    return 0;
}

执行的结果

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