【Linux网络编程】UDP Echo Server的实现

小王努力学编程2025-04-11 11:15

本文专栏： Linux网络编程

目录

一，Socket编程基础

1，IP地址和端口号

端口号划分范围

理解端口号和进程ID

源端口号和目的端口号

理解Socket

2，传输层的典型代表

3，网络字节序

4，Socket编程接口

sockaddr结构

[二，Echo Server（UDP实现）](#二，Echo Server（UDP实现）)

1，服务器端（server端）代码编写

创建套接字（socket）

[绑定端IP和 端口号](#绑定端IP和 端口号)

接受消息（recvfrom）

发送消息

2，客户端（client端）代码编写

3，代码总体

4，现象演示

一，Socket编程基础

1，IP地址和端口号

IP地址：

  • 定义：IP在网络中，用来标识主机的唯一性。或者说IP地址是分配给网络设备的唯一标识，用于在互联网中定位设备。

作用：

  • 设备寻址：确保数据包从源设备发送到目标设备

  • 路由选择：路由器根据IP地址决定数据包的转发路径。
    端口号：

  • 端口号是传输层协议的内容。

  • 端口号是一个2字节，16为的整数。

  • 端口号用来标识唯一进程，告诉操作系统，当前的这个数据要交给哪个进程来处理。

  • 一个端口号只能 被一个进程占用。

所以IP地址+端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程。

端口号划分范围

  • 0-1023：是指明端口号，HTTP，SSH，FTP等广为使用的应用层协议，他们的端口号都是固定的。
  • 1024-65535：是操作系统动态分配的端口号。客户端运行的程序，就是由操作系统从这个范围分配的。

理解端口号和进程ID

在操作系统中，我们知道pid表示唯一一个进程。而这里端口号也是表示唯一一个进程 。这两个之间有什么关系？

进程ID属于系统概念，技术上 也具有唯一性，确实可以用来标识唯一的一个进程 。但是如果让进程ID代替端口号，会让系统进程管理和网络强耦合 。

源端口号和目的端口号

传输层协议（TCP和UDP）的数据段中有两个端口号，分别叫做源端口号和目的端口号。

就是在 描述"数据是谁发的，要发给谁"。

理解Socket

  • IP地址用来标识主机的唯一性，port端口号用来标识该台主机上 唯一的一个进程。
  • 所以IP+port就能 表示互联网中唯一的一个进程。
  • 所以，通信的时候，本质是两个互联网进程在通信，所以，网络通信的本质是进程间通信。
  • 我们把IP+port叫做套接字（Socket）。

2，传输层的典型代表

传输层是属于内核的，所以进行网络通信，必定调用的是传输层提供的系统调用。

TCP协议：

  • 传输层协议
  • 有连接
  • 可靠传输
  • 面向字节流

UDP协议：

  • 传输层协议
  • 无连接
  • 不可靠传输
  • 面向数据报

3，网络字节序

内存中多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分。
磁盘文件中的 多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分, 网络数据流同样有大端小端
之分。

所谓小端，就是对于多字节的数据，它的低权值位存放在低地址处，高权值位存放在高地址处。

大端与之相反，低权值位存放在高地址处，高权值位存放在低地址处 。

发送主机通常将发送的数据按内存地址从低到高发出。

接受主机把从网络上接受的数据依次保存在缓冲区，也是按内存地址从低到高的顺序保存的。

而不同的主机，它的存储序列可能不同，可能是大端存储，也有可能是小端存储。

如果两台机器的存储形式不同，一台是大端存储，另一台是小端存储，那么在接受数据的时候，就会将数据解释错了。

解决方法：于是就有了一个规定， 发送到网络中的数据必须是大端形式的。

所以，不管这台主机 是大端序列还是小端序列，都会按照这个规定的网络字节序来发送/接受数据。

如果当前主机是小端，就需要先将数据转化为大端；如果是大端，就忽略。

为使网络程序具有可移植性，使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，可以调用以下库函数来做主机字节序和网络字节序的转化：

  • h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。
  • 例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序。
  • 如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回。
  • 如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。

4，Socket编程接口

常见API

C
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器 )
int socket(int domain,int type,int protocol);

//绑定端口号(TCP/UDP,服务器)
int bind(int socket,const struct sockaddr* address,sock_lent addresslen);

//开始监听socket(TCP,服务器)
int listen(int socket,int backlog);

//接收请求(TCP,服务器)
int accept(int socket,struct sockaddr* address,sock_lent* addresslen);

//建立连接(TCP,客户端)
int connect(int sockfd,const struct sockaddr* addr,sock_lent* addrlen);

在上面的API接口中，sockaddr这个结构体经常出现。它是什么呢？

sockaddr结构

二，Echo Server（UDP实现）

Echo Server（回显服务器）是一种网络应用程序。其核心功能是接受客户端发来的数据，并将接受到的数据原样返回给客户端。

核心逻辑：

  1. 服务端

    创建套接字 → 绑定地址 → 监听连接 → 接受请求 → 读取数据 → 回传数据。

  2. 客户端

    创建套接字 → 连接服务器 → 发送数据 → 接收回显数据。

不过我们实现的是UDP的，所以没有监听连接这一步。

1，服务器端（server端）代码编写

这里对服务器端代码编写时，会采用面向对象的思路，简单的进行封装。

大致框架：

复制代码 
class udpserver
{
    public:
    udpserver(uint16_t port)
    :_port(port), 
    _isrunning(false)
    {}
    //


    /
    ~udpserver()
    {}
    private:
    int _sockfd;//套接字
    uint16_t _port;//端口号
    bool _isrunning;//是否在进行网络通信
};

下面就是正式对网络通信的代码编写：

首先，定义一个init方法，在该函数中，完成创建套接字和绑定的任务。

创建套接字（socket）

关于该函数的返回值 ，文档中的说明如下：

可以看出，该函数的返回值是一个文件描述符，-1表示失败，和文件系统中的open一样。所以可以简单的理解成创建套接字，在系统内部会打开一个文件，然后分配一个文件描述符。

复制代码 
        //1，创建套接字
        _sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd<0)
        {
            std::cout<<"创建套接字失败"<<std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout<<"创建套接字成功"<<std::endl;

绑定端IP和 端口号

为当前服务器进程绑定端口号和IP地址。

前面讲过IP+端口号可以标识网络中某台主机上的唯一一个进程。

在绑定之前，需要我们填写addr这个结构体中的内容。

我们是进行网络通信，所以需要填写下图中的sockaddr_in结构体，有三个成员。最后的8字节用0填充即可。

我们在填写该结构体中的端口号时，考虑到不同机器的大小端存储形式可能不一样。所以需要先将 端口号转化为网络字节序，使用htons接口。

同时IP地址在填充的时候 ，还有一个问题，具体内容看下面代码的注释：

复制代码 
        //2,绑定端口号和IP
        //填充sockarr_in信息
        struct sockaddr_in local;
        //先将结构体内容清0
        bzero(&local,sizeof(local));
        local.sin_family=AF_INET;//头部的16为，表示网络通信
        local.sin_port=htons(_port);//端口号
        //INADDR_ANY是一个宏，这个宏的值是0
        //可能存在多个客户端要访问该服务器进程
        //有的客户端拿着内网IP，有的客户端拿着本地回环IP 127.0.0.1访问该服务器进程
        //那么该服务器进程的IP就必须保持不变，是一个绑死的值，只有和该IP相等的客户端才能访问
        //将IP地址设为0的好处是：
        //不同的客户端，拿着不同的IP访问该服务器进程，只要端口号和该进程相等，就都可以访问呢
        local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//IP地址
        int n=bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));
        if(n<0)
        {
            std::cout<<"绑定失败"<<std::endl;
            exit(2);
        }
        std::cout<<"绑定成功"<<std::endl;

接受消息（recvfrom）

再定义一个start方法 ，来实现接受消息和发送消息。

  • 第一个参数是创建的套接字
  • 第二个参数和第三个参数是缓冲区及对应的大小，用来存放接受到的数据
  • 第四个参数flags：该参数设置为0，表示阻塞式IO，如果对方 不发数据，该函数（进程）就会一致阻塞在这里等同于scanf
  • 第五个参数：我们作为服务器端，需要知道是哪个主机的哪个进程发的数据，就存放在该结构体中。
  • 最后一个参数：表示该结构体的大小
复制代码 
//缓冲区------存放消息
char buffer[1024];
//获取哪台主机的哪个进程发送的数据，可以理解为这是一个输出型参数
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len=sizeof(peer);
//接受消息
//我们将接受到的消息是按字符串存储的
//这里sizeof(buffer)-1是为了保留最后一个位置填充1
ssize_t n=recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);

注意：我们从网络中拿到了发送过来的数据，这些数据包括struct sockaddr结构体。

所以我们想要知道是哪台主机的哪个进程发送过来的，只要拿到该结构体中的IP和端口号即可。但是这些字段是从网络中来的，都是大端形式的。所以我们还需再做一步，将网络字节序转化为主机字节序，可以使用ntohs接口。

发送消息

服务器端接收到客户端发来的消息后，要进行出来后，再返回给客户端。也就是用户做了某个要要求，服务器端执行完后，返回给用户一个结果。

  • 第一个参数：创建的套接字
  • 第二个参数和第三个参数：发送数据的内容和长度
  • 第四个参数：和上面接受消息的一样
  • 最后两个参数：发送数据，需要知道是给谁发的，也就是目标主机的IP和端口号，这些内容存放于该结构体中

对于接受到的数据，进行处理，再返回给客户端一个返回结果。所以我们可以自定义一个处理函数，对接受到的数据执行某种方法，再将结果返回给用户。

复制代码 
 //获取发送方的信息
 //获取端口号（客户端的）
 int peer_port=ntohs(peer.sin_port);//网络字节序转主机字节序
 //获取IP（点分十进制格式）
 //该函数做两个工作 1，将网络字节序转化为主机字节序 2，将主机字节序的IP再转化为点分十进制形式
 std::string peer_ip=inet_ntoa(peer.sin_addr);
buffer[n]=0;//接受到的数据
 //处理buffer,自定义一个函数
//产生一个处理结果，返回给发送方，也就是客户端
 std::string result=_func(buffer);
 //发送消息
sendto(_sockfd,result.c_str(),result.size(),0,(struct sockaddr*)&peer,len);

2，客户端（client端）代码编写

客户端代码编写与服务器端代码类似，比服务器端代码更简单。

客户端也需要创建套接字：

复制代码 
//以命令行参数的形式获取IP和端口号
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server_ip server_port" << std::endl;
        return 1;
    }
    std::string server_ip = argv[1];//IP
    uint16_t server_port = std::stoi(argv[2]);//端口号

    // 1. 创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        std::cerr << "socket error" << std::endl;
        return 2;
    }
    

    return 0;
}

但是客户端不需要显示的绑定端口号和IP了 。当客户端尝试发送消息的时候，操作系统会为该客户端进程分配一个随机端口号，操作系统也知道本主机的IP地址，所以操作系统会在内部进行绑定。所以就不需要我们手动绑定了。

而为什么要这么做？

  • 首先，一个端口号只能被一个进程绑定。

  • 如果我们手动显示的绑定了，也就是我们把一个进程和一个端口号绑定在一起，绑死了。比如我们写了一个客户端，绑定一个端口号666，它没有运行。那么当再启动一个淘宝APP时，如果淘宝也绑定了这个端口号，那么我们的客户端进程就无法启动了。

  • 所以，这样采用随机端口的方式，是为了避免client端口冲突的问题。

  • 所以，客户端对应的端口号是多少不重要，只要是唯一的就行。
    而为什么服务器端需要绑定？

  • 首先，服务器肯定是被多个客户端进行访问的。

  • 服务器的IP和端口号必须是众所周知且不能轻易改变的。

  • 改变了，客户端就无法访问了。

这就好像再生活中，一些公共部门的电话是众所周知，且不能改变的，比如110，120，119等等。而我们的电话是可以改的。

所以创建套接字后，就可以发送消息了，不需要显示bind了。

发送消息，接受消息和服务器端的代码类似，这里不做过多赘述了。

3，代码总体

udpserver.hpp文件

复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <functional>

using func_t=std::function<std::string(const std::string&)>;
class udpserver
{
    public:
    udpserver(uint16_t port,func_t func)
    :_port(port), 
    _isrunning(false),
    _func(func)
    {}
    //
    void init()
    {
        //1，创建套接字
        _sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd<0)
        {
            std::cout<<"创建套接字失败"<<std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout<<"创建套接字成功"<<std::endl;

        //2,绑定端口号和IP
        //填充sockarr_in信息
        struct sockaddr_in local;
        //先将结构体内容清0
        bzero(&local,sizeof(local));
        local.sin_family=AF_INET;//头部的16为，表示网络通信
        local.sin_port=htons(_port);//端口号
        //INADDR_ANY是一个宏，这个宏的值是0
        //可能存在多个客户端要访问该服务器进程
        //有的客户端拿着内网IP，有的客户端拿着本地回环IP 127.0.0.1访问该服务器进程
        //那么该服务器进程的IP就必须保持不变，是一个绑死的值，只有和该IP相等的客户端才能访问
        //将IP地址设为0的好处是：
        //不同的客户端，拿着不同的IP访问该服务器进程，只要端口号和该进程相等，就都可以访问呢
        local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//IP地址
        int n=bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));
        if(n<0)
        {
            std::cout<<"绑定失败"<<std::endl;
            exit(2);
        }
        std::cout<<"绑定成功"<<std::endl;
    }
    void start()
    {
        _isrunning=true;
        while(_isrunning)
        {
            //缓冲区------存放消息
            char buffer[1024];
            //获取哪台主机的哪个进程发送的数据，可以理解为这是一个输出型参数
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len=sizeof(peer);
            //接受消息
            //我们将接受到的消息是按字符串存储的
            //这里sizeof(buffer)-1是为了保留最后一个位置填充1
            ssize_t n=recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);
            if(n>0)
            {
                //获取发送方的信息
                //获取端口号（客户端的）
                int peer_port=ntohs(peer.sin_port);//网络字节序转主机字节序
                //获取IP（点分十进制格式）
                //该函数做两个工作 1，将网络字节序转化为主机字节序 2，将主机字节序的IP再转化为点分十进制形式
                std::string peer_ip=inet_ntoa(peer.sin_addr);

                buffer[n]=0;//接受到的数据
                //处理buffer,自定义一个函数
                //产生一个处理结果，返回给发送方，也就是客户端
                std::string result=_func(buffer);
                //发送消息
                sendto(_sockfd,result.c_str(),result.size(),0,(struct sockaddr*)&peer,len);
            }

        }
    }
    /
    ~udpserver()
    {}
    private:
    int _sockfd;//套接字
    uint16_t _port;//端口号
    bool _isrunning;//是否在进行网络通信
    func_t _func;//回调函数
};

udpserver.cpp文件

复制代码 
#include "udpserver.hpp"
#include <memory>


std::string defaulthandler(const std::string &message)
{
    std::string hello = "hello, ";
    hello += message;
    return hello;
}

//端口号以命令行参数的形式获取
int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " port" << std::endl;
        return 1;
    }
    uint16_t port = std::stoi(argv[1]);


    std::unique_ptr<udpserver> usvr = std::make_unique<udpserver>(port,defaulthandler);
    usvr->init();
    usvr->start();

    return 0;
}

udpclient.cpp文件

复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

//以命令行参数的形式获取IP和端口号
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server_ip server_port" << std::endl;
        return 1;
    }
    std::string server_ip = argv[1];//IP
    uint16_t server_port = std::stoi(argv[2]);//端口号

    // 1. 创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        std::cerr << "socket error" << std::endl;
        return 2;
    }
     // 填写服务器信息
     struct sockaddr_in server;
     memset(&server, 0, sizeof(server));
     server.sin_family = AF_INET;
     server.sin_port = htons(server_port);
     server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());
     while(true)
     {
         std::string input;
         std::cout << "Please Enter# ";
         std::getline(std::cin, input);
        //发送消息
         int n = sendto(sockfd, input.c_str(), input.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
         (void)n;
 
         char buffer[1024];
         struct sockaddr_in peer;
         socklen_t len = sizeof(peer);
         //接受消息
         int m = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
         if(m > 0)
         {
             buffer[m] = 0;
             std::cout << buffer << std::endl;
         }
     }

    return 0;
}

4，现象演示

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