网络编程之 UDP：用户数据报协议详解与实战

UDP（User Datagram Protocol）作为传输层的重要协议，以其无连接、不可靠但高效的特性，在实时通信、流媒体等领域有着广泛应用。本文将深入解析 UDP 的核心概念，并通过实战案例展示其编程实现。

一、UDP 协议特性

UDP 与 TCP 相比，具有以下特点：

• 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据。
• 不可靠：不保证数据的可靠传输，可能丢包、乱序。
• 高效：无需维护连接状态，开销小，适合实时性要求高的场景。
• 面向数据报：数据以独立的数据包形式传输，边界清晰。

二、UDP 编程框架

UDP 编程采用 C/S 模式，基本框架如下：

服务器端：

socket() → bind() → recvfrom() → close()

客户端：

socket() → [bind()] → sendto() → close()

关键函数：

• socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建 UDP 套接字。
• sendto()：发送数据报。
• recvfrom()：接收数据报。

三、UDP 核心函数解析

1. sendto() 函数

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

• 功能：向指定目标发送数据。
• 参数 ：
  • dest_addr：目标地址（必选）。
  • addrlen：地址长度。

2. recvfrom() 函数

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

• 功能：接收数据并获取发送方地址（可选）。
• 参数 ：
  • src_addr：发送方地址（若为 NULL 则忽略）。
  • addrlen：地址长度指针。

四、UDP 编程实战

1. UDP 测试程序

服务器端代码（udp_server.c）：

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

#define PORT 50000
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    // 创建 UDP 套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&serv_addr, 
             sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

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

    // 接收数据
    char buffer[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in cli_addr;
    socklen_t len = sizeof(cli_addr);

    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
        ssize_t n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUF_SIZE,
                            MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cli_addr,
                            &len);
        if (n < 0) {
            perror("recvfrom failed");
            continue;
        }

        printf("Client [%s:%d]: %s\n",
               inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port),
               buffer);

        // 回显消息
        sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer),
               MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&cli_addr, len);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端代码（udp_client.c）：

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

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 50000
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    // 创建 UDP 套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

    char buffer[BUF_SIZE];
    socklen_t len = sizeof(serv_addr);

    while (1) {
        printf("Enter message (or 'exit' to quit): ");
        fgets(buffer, BUF_SIZE, stdin);
        buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;  // 去除换行符

        if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {
            break;
        }

        // 发送数据
        sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer),
               MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&serv_addr, len);

        // 接收响应
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
        ssize_t n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUF_SIZE,
                            MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&serv_addr,
                            &len);
        if (n < 0) {
            perror("recvfrom failed");
            continue;
        }

        printf("Server: %s\n", buffer);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

2. 点对点聊天程序

基于 UDP 的点对点聊天程序需要双方同时作为客户端和服务器：

// 简化版点对点聊天程序框架
void chat_client() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 初始化地址...

    // 创建两个线程：一个接收消息，一个发送消息
    pthread_t recv_thread, send_thread;
    pthread_create(&recv_thread, NULL, receive_messages, &sockfd);
    pthread_create(&send_thread, NULL, send_messages, &sockfd);
    
    pthread_join(recv_thread, NULL);
    pthread_join(send_thread, NULL);
    close(sockfd);
}

五、UDP 聊天室实现

需求分析

• 注册机制：客户端连接时向服务器注册。
• 消息转发：服务器将消息广播给所有在线客户端。
• 下线通知：客户端下线时通知其他用户。

核心设计

服务器端：

// 客户端信息结构体
typedef struct {
    struct sockaddr_in addr;
    char username[50];
    int online;
} Client;

Client clients[MAX_CLIENTS];  // 客户端列表

// 处理注册请求
void handle_registration(int sockfd, struct sockaddr_in *client_addr, char *username) {
    // 查找空位或已有客户端
    // 更新客户端信息
    // 通知其他客户端
}

// 处理消息转发
void handle_message(int sockfd, struct sockaddr_in *client_addr, char *message) {
    // 查找发送者
    // 转发消息给所有在线客户端
}

// 主循环
while (1) {
    recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, 
             (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
    
    // 解析消息类型（注册、消息、下线）
    // 调用相应处理函数
}

客户端：

// 发送线程
void *send_messages(void *arg) {
    int sockfd = *(int *)arg;
    struct sockaddr_in server_addr;
    // 初始化服务器地址...

    // 注册用户名
    sendto(sockfd, username, strlen(username), 0, 
           (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // 循环发送消息
    while (1) {
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
        sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, 
               (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    }
}

// 接收线程
void *receive_messages(void *arg) {
    int sockfd = *(int *)arg;
    // 循环接收消息并打印
}

六、UDP 与 TCP 的对比

特性	UDP	TCP
连接状态	无连接	面向连接
可靠性	不可靠（可能丢包）	可靠（保证交付）
传输效率	高（开销小）	低（维护连接开销大）
应用场景	实时音视频、DNS	文件传输、HTTP

七、总结

UDP 以其简单高效的特点，在需要快速传输、实时性要求高的场景中表现出色。本文从 UDP 的基本特性出发，详细解析了其编程框架和核心函数，并通过三个实战案例（测试程序、点对点聊天、聊天室）展示了 UDP 的应用方式。

虽然 UDP 不保证可靠传输，但在许多场景下，这种 "不可靠" 恰恰成为其优势。通过合理的上层设计（如重传机制、消息确认），UDP 也能在一定程度上弥补其不足，满足复杂应用的需求。