【Linux】用C++实现UDP通信：详解socket编程流程

文章目录

• 协议（Protocol）
• • 协议的核心要素
  • 常见协议分类
• UDP协议（用户数据报协议）
• • [1. 基本定义](#1. 基本定义)
  • [2. 核心特性](#2. 核心特性)
• UDP协议实现通信
• • 服务器端
  • • Comm.hpp
    • InetAddr.hpp
    • UdpServer.hpp
    • UdpServer.cc
  • 客户端
• 总结

协议（Protocol）

协议 是计算机或通信系统中，不同实体（如设备、程序、服务等）之间进行交互和通信时，共同遵循的一套规则和标准。它定义了数据的格式、传输方式、错误处理、安全机制等，确保通信双方能够正确理解彼此的信息并完成协作。

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协议的核心要素

1. 语法（Syntax）

   • 数据的结构或格式，例如报文如何排列、字段的长度和顺序等。
   • 示例：HTTP请求中，请求行、头部、正文的排列方式。

2. 语义（Semantics）

   • 数据的含义及操作逻辑，解释字段代表的动作或内容。
   • 示例：HTTP状态码 200 表示请求成功，404 表示资源未找到。

3. 同步（Timing/Synchronization）

   • 通信的顺序控制，如数据发送和响应的时序。
   • 示例：TCP三次握手建立连接时的顺序规则。

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常见协议分类

类别	协议示例	作用
网络通信	TCP/IP、HTTP、FTP	实现数据传输和网络互联
安全协议	SSL/TLS、SSH、HTTPS	加密通信和身份验证
应用层协议	SMTP（邮件）、DNS	支持特定应用功能（如邮件解析域名）
硬件协议	USB、Bluetooth	硬件设备间的交互规范

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UDP协议（用户数据报协议）

1. 基本定义

UDP（User Datagram Protocol） 是一种无连接的传输层协议，位于TCP/IP模型中的传输层（OSI第4层）。它以最小化的协议机制提供高效的数据传输服务。

2. 核心特性

特性	说明
无连接	通信前无需建立连接，直接发送数据
不可靠传输	不保证数据顺序、不重传丢失报文、不检测拥塞
无状态	发送方和接收方不维护连接状态
头部开销小	固定8字节头部（TCP至少20字节）
支持广播/多播	可向多个主机同时发送数据

UDP协议实现通信

服务器端

由于UDP协议是一种通过数据报在网络中传输的协议，所以我们在创建套接字的时候需要将参数设置为数据报类型，服务器端主要有几个功能，一个是初始化服务器，一个是启动服务器，在启动服务器的时候需要将服务器写成死循环，服务器可以一直接收外部发来的数据。因为在服务器中存在着很多需要将网络字节序转化为本地字节序，所以为了方便，我们将IP地址和端口号封装成一个类InetAddr，这个类中的方法有网络字节序和本地字节序的转化，还有获取网络字节序和本地字节序，方便我们写代码的可读性。

注意：这里面用的LOG是上一章封装过的一个LOG类，可以直接拿过来用

Comm.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#define Die(code) exit(code)
#define CONV(v) (struct sockaddr *)(v)

enum
{
    USAGE_ERR,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR
};

InetAddr.hpp

#pragma once

#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

class InetAddr
{
private:
    void PortNet2Host()
    {
        _port = ::ntohl(_net_addr.sin_port);
    }
    void IpNet2Host()
    {
        //将网络风格转化为字符串风格的
        char ipbuffer[64];
        const char * ip = inet_ntop(AF_INET,&_net_addr.sin_addr,ipbuffer,sizeof(ipbuffer));
        (void)ip;
    }
public:
    InetAddr()
    {

    }
    //网络转点分十进制---这里是网络转主机
    InetAddr(const struct sockaddr_in & addr):_net_addr(addr)
    {
        PortNet2Host();
        IpNet2Host();
    }
    InetAddr(uint16_t port):_port(port),_ip("")
    {
        _port = 
        _net_addr.sin_family = AF_INET;
        _net_addr.sin_port = htons(_port);
        //这里是主机转网络
        _net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    }
    struct sockaddr* NetAddr()
    {
        return CONV(&_net_addr);
    }
    socklen_t NetAddrLen()
    {
        return sizeof(_net_addr);
    }
    std::string Ip()
    {
        return _ip;
    }
    std::uint16_t Port()
    {
        return _port;
    }
    ~InetAddr()
    {

    }
private:
    //网络addr
    struct sockaddr_in _net_addr;
    //网络序列的端口
    uint16_t _port;
    std::string _ip;
};

UdpServer.hpp

#ifndef __UDP_SERVER_HPP__
#define __UDP_SERVER_HPP__

#include "InetAddr.hpp"
#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include "Log.hpp"

using namespace lyrics;


const static int gsockfd = -1;
// 这个ip表示主机的本地IP，一般用于做本地通信的
const static std::string gdefaultip = "127.0.0.1";
// 测试用的端口号
const static uint16_t defaultport = 8000;
class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port = defaultport)
     : _sockfd(gsockfd),_addr(port),_isrunning(false) {}
    // 1. 初始化服务器----都是套路---UDP初始化
    void InitServer()
    {
        // 创建套接字
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // IP？PORT？网络？本地？
        if (_sockfd < 0)
        {
            // 输出致命的错误
            LOG(LogLevel::FATAL) << "socket: " << strerror(errno);
            // 创建失败直接结束：
            Die(SOCKET_ERR);
        }
        LOG(LogLevel::INFO) << "socket success,sockfd is: " << _sockfd;
        int n = ::bind(_sockfd,_addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());
        if(n < 0)
        {
            LOG(LogLevel::FATAL) <<"socket: " << strerror(errno);
            Die(BIND_ERR);
        }

        LOG(LogLevel::INFO) << "bind success";
    }
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        //服务器死循环
        while(true)
        {
            struct sockaddr_in peer;//远端
            socklen_t len = sizeof(peer); //必须设定
            char inbuffer[1024];
            ssize_t n = ::recvfrom(_sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1,0,CONV(&peer),&len);
            //读取消息成功
            if(n > 0)
            {
                InetAddr cli(peer);
                //1. 需要知道消息内容
                inbuffer[n] = 0;
                std::string clientinfo = cli.Ip() + ":" + std::to_string(cli.Port()) + " # " + inbuffer;
                LOG(LogLevel::DEBUG) << clientinfo;

                std::string echo_string = "echo ";
                echo_string += inbuffer;
                //2. 得知道消息是谁发的
                ::sendto(_sockfd,echo_string.c_str(),echo_string.size(),0,CONV(&peer),sizeof(peer));
            }
        }
        _isrunning = false;
    }
    ~UdpServer()
    {
        if(_sockfd > gsockfd)
            ::close(_sockfd);
    }

private:
    int _sockfd;
    InetAddr _addr;
    // uint16_t _port; // 服务器未来的端口号

    // 传递进来的是字符串风格的IP----点分十进制的IP地址
    //std::string _ip; // 服务器未来的ip地址
    bool _isrunning; // 服务器的运行状态
};
#endif

UdpServer.cc

#include "UdpServer.hpp"

// ./server_udp localip localport
int main(int argc,char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage" << argv[0] << "localport" << std::endl;
        Die(USAGE_ERR);
    }
    //默认输出在显示器上
    ENABLE_CONSOLE_LOG();
    std::unique_ptr<UdpServer> svr_uptr = std::make_unique<UdpServer>(std::stoi(argv[1]));
    svr_uptr->InitServer();
    svr_uptr->Start();
    return 0;
}

客户端

客户端不用封装，只需要创建套接字，然后向目标IP和目标端口号发送数据即可，在发送数据的时候需要写成死循环，这样客户端可以一直向服务器发送消息，我们发送一条消息，客户端回一条一模一样的消息，表示服务器接收到了消息。

#include "UdpClient.hpp"
#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <cstdlib>
#include <string>

// ./client_udp serverip serverport----客户端需r要先知道服务器的端口号和IP
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage" << argv[0] << "serverip serverport" << std::endl;
        Die(USAGE_ERR);
    }
    std::string serverip = argv[1];
    // 命令行上输入的都是字符串
    uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        std::cerr << "socket error" << std::endl;
        Die(SOCKET_ERR);
    }

    // 1.1 填充server信息
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    // 需要调用主机转网络
    server.sin_port = htons(serverport);
    server.sin_addr.s_addr = ::inet_addr(serverip.c_str());

    // 2. clientdone
    while (true)
    {
        std::cout << "please Entrer: ";
        std::string message;
        std::getline(std::cin, message);
        int n = ::sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, CONV(&server), sizeof(server));
        (void)n;

        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        char buffer[1024];
        n = ::recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1,0,CONV(&temp),&len);

        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << buffer <<std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

总结

至此，我们用C++完整实现了一个基于UDP的通信流程，从创建 socket、绑定地址，到收发数据、关闭连接，每一步都围绕 Linux 下的 socket 编程核心展开。虽然 UDP 天生"无连接、不可靠"，但正因如此，它在低延迟、高并发场景下依然扮演着重要角色。希望这篇博客不仅帮你理清了 UDP 的基本用法，也为你后续深入网络编程打下了坚实的地基。别忘了，代码看完了不算真学会，敲一遍才是你自己的！