基于 UDP 协议的 socket 编程:实现 UDP 服务器

1. 理解 IP 端口号 Socket
  • IP 地址 是一个逻辑地址,每个连接到互联网的设备都会有一个唯一的 IP 地址;因此,IP 地址 可以用于唯一地标识互联网上的每一台设备。
  • 端口号 (port) 是一个 16 位的数字,用于区分同一台设备上的不同应用程序或服务。
  • Socket = IP + 端口号 ,用于在网络中唯一地标识一段通信端点。

通过 IP 地址 加上 端口号 ------ Socket,可以定位到互联网上的某个特定的程序或应用。

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#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol); // 创建套接字(socket)文件描述符
2. sockaddr 结构

sockaddr 结构是一个通用的网络地址结构。

在实际编程中,通常会先填充 sockaddr_in 结构,再将其强制转换为 sockaddr 结构,以便传递给网络相关的系统调用函数。

2.1 sockaddr_in

sockaddr_in 是专用于 IPv4 地址的结构,包含于 <netinet/in.h> 头文件中。

cpp 复制代码
struct sockaddr_in {
    short int sin_family;   // 地址族,通常是 AF_INET
    unsigned short int sin_port; // 端口号,网络字节序
    struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址
    char sin_zero[8];       // 填充字段,通常设置为 0
};

介绍两个函数,便于填充 sockaddr_in 结构

cpp 复制代码
#include <arpa/inet.h> // 头文件
  • htons() :用于将端口号从 主机序列 转换成 网络序列
  • inet_addr() :用于将 字符串风格的点分十进制 IP 地址 转换为 4 字节整数
3. socket 常用接口
3.1 bind()
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#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
// bind() 用于将一个 套接字文件描述符 和一个 特定的地址(IP + 端口号) 进行绑定
// 成功,返回 0;失败,返回 -1,并设置错误码
  • 服务器程序:需要显式地绑定一个特定端口号,以便客户端能够通过该端口访问到服务器;

  • 客户端程序:不能显式绑定特定端口号!

    冲突风险: 如果客户端程序显式绑定了一个特定端口号,那么启动该程序之后,同一机器上其他需要使用相同端口号的程序将其无法启动。

    假设应用A的客户端程序显式绑定了8080端口,启动应用A之后,同样显式绑定了8080端口的应用B将无法被启动,因为该端口已被占用。

    自动端口分配: OS 会在第一次使用套接字时,自动分配一个临时端口,并将其与套接字绑定。

3.2 recvfrom() sendto()
cpp 复制代码
#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len, int flags, 
                 struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr, socklen_t *_Nullable restrict addrlen);
// 成功,返回接收到的字节数;失败,返回 -1

ssize_t sendto(int sockfd, const void buf[.len], size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
// 成功,返回发送的字节数;失败,返回 -1
4. UdpServer
cpp 复制代码
const int defaultsockfd = -1

class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port, string ip) :_sockfd(defaultsockfd), _ip(ip), _port(port), _isrunning(false)
    {}
    
    ~UdpServer()
    {}
private:
    int _sockfd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
    
    bool _isrunning;
};
4.1 InitServer()
  1. 创建套接字
  2. 填充 sockaddr_in 结构
  3. 将 套接字 和 sockaddr_in 绑定
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class UdpServer
{
public:
    void InitServer()
    {
        // 1. 创建套接字
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0) 
        {
            cout << "socket make fail" << endl;
            exit(1);
		}
        
        // 2. 填充 sockaddr_in 结构
        struct sockaddr_in local;
        local.sin_family = AF_INET; 
        local.sin_port = htons(_port); // 主机序列 -> 网络序列 
        
        local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数

        
        // 3. 绑定 套接字 和 地址
        int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            cout << "socket bind error" << endl;
            exit(1);
        }
    }
}

INADDR_ANY 是一个特殊常量,值为 0 ,表示 "任何可用的网络接口" 。

当服务端程序调用 bind 函数时,可以将 INADDR_ANY0 作为 IP 地址绑定在套接字上 ------ 这种做法可以使服务端程序接收来自任何网络接口的连接请求,而不仅仅是特定 IP 地址。

基于此,对 class UdpServer 进行修改。

cpp 复制代码
class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port) :_sockfd(defaultsockfd), _port(port), _isrunning(false)
    {}
    
    void InitServer()
    {
        // ...
        // local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数
    }
private:
    int _sockfd;
    // string _ip;
    uint16_t _port;
    
    bool _isrunning;
}
4.2 Start()

为了保证服务的高可靠性和连续性,服务程序设计为一旦启动就会持续运行,直到手动停止

为此,使用一个布尔变量 _isrunning 来标记当前服务是否处于运行状态;

服务的主要任务是循环执行两个核心操作:1. 接受信息; 2. 返回接收到的信息。

cpp 复制代码
class UdpServer
{
public:
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        while (true)
        {
            // 1. 接收信息
            char buffer[1024];
            struct sockaddr_in peer;
            memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
            socklen_t len = sizeof(peer);
			
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, 1024, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
            if (n < 0)
            {
                cout << "recvfrom error" << endl;
                exit(1);
			}
            cout << "get message# " << buffer << endl;

            // 2. 发送信息
            n = sendto(_sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer, len);
            if (n < 0)
            {
                cout << "sendto error" << endl;
                exit(1);
            }
        }
        _isrunning = false;
    }
}
4.3 启动 Server
cpp 复制代码
void Usage(string proc)
{
    cout << "Usage:\n\t" << proc << "  server_ip  server_port\n" << endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
	}
    
    string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = stoi(argc[2]);
    
    unique_ptr<UdpServer> usvr = make_unique<UdpServer>(server_port, server_ip);
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    
    return 0;
}
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