Linux C/C++ 学习日记（24）：UDP协议的介绍：广播、多播的实现

注：该文用于个人学习记录和知识交流，如有不足，欢迎指点。

一、UDP 协议是什么

UDP 的全称是用户数据报协议（User Datagram Protocol），是 OSI 模型中传输层的重要协议，核心特性可概括为三点：

1. 无连接：通信前不需要像 TCP 那样建立 "三次握手"，直接发送数据。
2. 不可靠：不保证数据能送达，也不保证送达顺序，丢包后不会自动重传。
3. 轻量：头部仅 8 字节（远少于 TCP 的 20 字节），协议本身几乎不占用额外资源。

二、为什么会有 UDP

UDP 的存在是为了弥补 TCP 的 "短板"，因为 TCP 的 "可靠性" 是有代价的，无法满足所有场景需求：

1. TCP 需要建立连接、确认数据、重传丢包，会产生连接开销 和传输延迟。
2. 部分场景对 "实时性" 的需求远高于 "可靠性"，TCP 的延迟会直接影响体验。
3. 网络中需要一种 "极简" 的传输方式，用于传递小数据量、对丢失不敏感的信息。

三、它解决了什么问题

UDP 的核心价值是 "放弃部分可靠性，换取速度和效率"，主要解决三类问题：

1. 降低传输延迟：无连接、无重传机制，数据能以最快速度从发送方到接收方，适合实时场景。
2. 减少资源开销：极简的头部设计和无连接管理，对发送端、接收端的 CPU 和内存占用极低。
3. 支持特殊通信 ：原生支持广播（一对多） 和多播（一组多），而 TCP 仅支持点对点通信。

四、它的应用场景是什么

所有选择 UDP 的场景，核心诉求都是 "实时性优先" 或 "轻量优先"，典型场景包括：

• 实时音视频：如视频通话、直播、语音聊天。偶尔丢包只会导致画面轻微卡顿，不会影响整体流畅度，若用 TCP 会因重传产生明显延迟。
• 在线游戏：如 MOBA 类游戏、射击游戏。游戏数据（如位置、操作）需要毫秒级传输，延迟比丢 1-2 个数据包更影响体验。
• DNS 查询 ：域名解析（如将 "baidu.com" 转成 IP）仅需传递几十字节的小数据，用 UDP 能瞬间完成，没必要建立 TCP 连接。
• 广播 / 多播：如局域网内的设备发现（如打印机搜索）、IPTV 组播，TCP 无法实现这类 "一对多" 通信。

五、UDP协议头（8个字节）

1. 各参数的含义

字段名称	长度（位）	含义说明
16 位源端口号	16	标识发送方应用程序使用的端口。无需回复时可设为 0；需回复时，接收方通过该端口确定回复目标。
16 位目的端口号	16	标识接收方应用程序的目标端口，是区分不同应用层协议 / 程序的核心依据（如 DNS 用 53 端口，TFTP 用 69 端口），系统据此将数据交付给正确应用。
16 位 UDP 长度	16	表示 UDP 头部 + 数据的总长度（字节）。最小值为 8（仅头部），最大值 65535 字节（受 16 位限制），实际传输受 IP 层 MTU 约束。
16 位 UDP 检验和	16	用于检测传输中的比特错误，计算时包含 UDP 头部、数据及含 IP 源 / 目的地址、协议类型的伪头部。校验不一致则丢弃数据报； 设为 0 表示不校验。

2. 16位UDP检验和的使用

环节 / 步骤	具体说明
步骤 1：构造完整数据块	需拼接三部分组成临时数据块（仅用于计算）： - 伪首部（12 字节）：源 IP 地址（32 位）、目的 IP 地址（32 位）、保留字段（8 位，0x00）、协议类型（8 位，UDP 为 0x11）、UDP 总长度（16 位，头部 + 数据总字节数）； - UDP 头部（8 字节）：源端口、目的端口、UDP 长度、检验和（计算时临时设为 0x0000）； - UDP 数据：应用层载荷（可为空）。
步骤 2：数据块对齐	校验和以 16 位（2 字节）为单位计算，需保证总字节数为偶数：若总长度为奇数，在数据末尾补充 1 个字节的 0x00（仅用于计算，不传输）。
步骤 3：拆分 16 位字序列	将对齐后的数据块按 "低地址到高地址" 拆分为连续 16 位 "字"： 例：5 字节数据块0x11 0x22 0x33 0x44 0x55补 0x00 后为 6 字节，拆分为0x1122、0x3344、0x5500。
步骤 4：反码求和（核心）	1. 逐字相加：所有 16 位字按二进制逐位相加，保留进位； 2. 处理进位：若结果为 17 位，将最高位进位（1）循环加到最低位； 3. 累加所有字，最终得到 16 位 "总和"。
步骤 5：计算检验和	对步骤 4 的 16 位总和取反码（0 变 1、1 变 0），结果即为 16 位 UDP 检验和： 例：总和 0x0269（0000 0010 0110 1001）的反码为 0xFD96（1111 1101 1001 0110）。
步骤 6：发送与验证	- 发送方：将检验和填入 UDP 头部 "检验和字段" 并发送； - 接收方：重构数据块（含接收的检验和）， 重复计算（步骤1-5，检验和取**发送方传来的：**0xFD96）： - 结果为 0xFFFF（16 位全 1）→ 校验通过； - 结果非全 1 → 数据错误，丢弃数据报（上层处理错误）。
关键特性与注意事项	1. 反码求和优势："进位循环" 特性更易检测单比特 / 多比特连续错误； 2. 协议差异：IPv4 中检验和可选（0x0000 表示不校验），IPv6 强制计算； 3. 伪首部作用：关联 IP 地址和协议类型，确保端到端数据一致性（避免 IP 错误但端口正确的误传）。

六、UDP报文传输模式

注意：在UDP报文传输模式中

• sendto 函数一次调用发送的数据，会被封装为一个独立的 UDP 数据报（报文） 发送。UDP 是面向数据报的协议，不会对数据进行拆分或合并，每次 sendto 调用对应一个完整的 UDP 报文。

• recvfrom 函数一次调用会接收 一个完整的 UDP 报文（去掉封装） （即对应一次 sendto 发送的数据）。如果接收缓冲区大小足够，会完整读取该报文；如果缓冲区不足，可能会截断数据（需注意检查返回值确认实际接收长度）。

需要注意的是，这一特性仅适用于 UDP 。如果使用 TCP 协议（基于字节流），send/sendto 和 recv/recvfrom 没有 "报文" 的概念，数据会被视为连续的字节流，多次发送的数据可能被合并，一次接收也可能获取到多次发送的部分数据（取决于底层缓冲区）。

因此，"一次 sendto 对应一个报文，一次 recvfrom 接收一个报文" 是 UDP 协议的典型行为。

区分帧、IP数据包、UDP 报文、sendto 传入的数据、recvfrom 接收的数据

概念	所属协议层	组成部分	核心特征	与其他概念的关系
sendto 传入的数据	应用层	仅应用程序生成的原始数据（如字符串、二进制流、结构体等）	无任何协议封装，是用户真正想传输的 "有效信息"	是 UDP 报文、IP 数据报、帧的最内层 "有效载荷"，被后续各层协议依次封装
recvfrom 接收的数据	应用层	与发送方 sendto 传入的原始数据完全一致（无传输错误时）	是经过底层协议栈解封装后，最终交付给应用程序的原始数据	是帧、IP 数据报、UDP 报文经过多层解封装后，剥离所有协议头部 / 尾部后的结果
UDP 报文	传输层（UDP 协议）	UDP 头部（源端口、目的端口、报文长度、校验和） + sendto 传入的应用层数据	传输层的封装单位，标记数据的 "发送 / 接收端口"，确保数据交付到正确的应用程序	被网络层封装为 IP 数据报的有效载荷；其内部包含 sendto 传入的应用层数据
IP 数据报（IP 数据包）	网络层（IP 协议）	IP 头部（源 IP、目的 IP、TTL、协议类型等） + UDP 报文（或 TCP 段）	网络层的传输单位，负责跨网络路由，包含 IP 地址等路由标识信息	封装 UDP 报文（或 TCP 段），自身被帧封装为有效载荷； 其内部的 UDP 报文（或 TCP 段）包含 sendto（或send） 传入的应用层数据
帧	数据链路层	链路层头部（如 MAC 地址、帧类型） + 链路层尾部（如 CRC 校验码） + IP 数据报	链路层的传输单位，负责在物理链路（如网线、无线）上传输，包含物理地址信息	在UDP中，其有效载荷是 IP 数据报（包含 IP 头部 + UDP 报文）；比 UDP 报文多了 IP 头部、链路层头部和尾部

在口语表述UDP传输中，我们有的人说发送一帧或者接收一帧，指的是sendto和recvfrom的数据。（当然实际表达不严谨）

七、广播和多播的概念与实现

对比维度	UDP 广播（一对所有）	UDP 多播（一对一组）
核心定义	向同一局域网内所有设备发送数据，无需提前建立连接	向预先加入 "多播组" 的设备发送数据，仅组内设备可接收
核心要素	1. 广播地址（ 全局：255.255.255.255； 子网：如 192.168.1.255） 2. 套接字需开启SO_BROADCAST选项	1. D 类多播地址（范围：224.0.0.0~239.255.255.255，如 239.0.0.1） 2. 依赖 IGMP 协议管理组成员（加入 / 退出）
关键实现步骤	1. 创建 UDP 套接字 2. 开启广播权限（setsockopt设SO_BROADCAST=1） 3. 目标 IP 设为广播地址，指定端口发送 4. 接收方绑定对应端口监听	1. 创建 UDP 套接字 2. 接收方通过setsockopt加入多播组（指定组地址 + 本地网卡 IP） 3. 发送方目标 IP 设为多播组地址，指定端口发送 4. 路由器通过 IGMP 转发给组内设备
跨子网能力	不支持，路由器默认丢弃广播包，仅局限于本地局域网	支持，只要路由器支持 IGMP 协议，可转发多播包到其他子网的多播组设备
网络带宽占用	高，所有局域网设备都会接收数据包，可能造成带宽浪费	低，仅多播组内设备接收，无关设备不占用带宽
关键注意事项	1. 仅适用于小数据量传输，避免广播风暴 2. 套接字默认禁止广播，需手动开启权限	1. 多播组动态管理，设备可随时加入 / 退出 2. 发送方无需加入多播组，仅接收方需加入
典型应用场景	1. 局域网设备发现（如打印机搜索）2. 本地游戏房间创建通知3. 局域网内简单数据同步	1. IPTV / 网络直播（仅订阅用户接收） 2. 实时数据推送（如股票行情、气象数据）

代码实现：

1.广播

发送端

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

#define BROADCAST_PORT 8888
// 子网广播地址（需根据实际局域网子网修改，例如192.168.1.255）
#define BROADCAST_ADDR "192.168.1.255"

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in broadcast_addr;
    char msg[] = "This is a UDP broadcast message!";

    // 1. 创建UDP套接字（AF_INET：IPv4，SOCK_DGRAM：UDP）
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 开启广播权限（UDP默认禁止广播，需设置SO_BROADCAST选项）
    int broadcast_enable = 1;
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_enable, sizeof(broadcast_enable)) < 0) {
        perror("setsockopt SO_BROADCAST failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 配置广播目标地址（IP+端口）
    memset(&broadcast_addr, 0, sizeof(broadcast_addr));
    broadcast_addr.sin_family = AF_INET;                  // IPv4
    broadcast_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);      // 端口转换为网络字节序
    // 将广播地址字符串转换为网络字节序IP
    if (inet_pton(AF_INET, BROADCAST_ADDR, &broadcast_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid broadcast address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 循环发送广播消息
    while (1) {
        // 发送数据到广播地址
        ssize_t len = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, 
                            (struct sockaddr*)&broadcast_addr, sizeof(broadcast_addr));
        if (len < 0) {
            perror("sendto failed");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("Broadcast sent: %s\n", msg);
        sleep(2);  // 每2秒发送一次
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

接收端

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

#define BROADCAST_PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in local_addr;
    struct sockaddr_in sender_addr;
    socklen_t sender_len = sizeof(sender_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 1. 创建UDP套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 配置本地地址（绑定到广播端口，接收所有IP的广播）
    memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有本地IP
    local_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);  // 绑定广播端口

    // 3. 绑定套接字到本地地址（必须绑定端口才能接收对应端口的广播）
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Waiting for UDP broadcast on port %d...\n", BROADCAST_PORT);

    // 4. 循环接收广播消息
    while (1) {
        // 接收数据（同时获取发送方地址）
        ssize_t len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                              (struct sockaddr*)&sender_addr, &sender_len);
        if (len < 0) {
            perror("recvfrom failed");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        buffer[len] = '\0';  // 手动添加字符串结束符

        // 打印接收的消息和发送方IP
        printf("Received from %s:%d: %s\n",
               inet_ntoa(sender_addr.sin_addr),  // 网络字节序IP转字符串
               ntohs(sender_addr.sin_port),      // 网络字节序端口转主机序
               buffer);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

2. 多播

发送端

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

#define MULTICAST_PORT 9999
// 多播组地址（D类地址，例如239.0.0.1）
#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.1"

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in multicast_addr;
    char msg[] = "This is a UDP multicast message!";

    // 1. 创建UDP套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 配置多播目标地址（IP+端口）
    memset(&multicast_addr, 0, sizeof(multicast_addr));
    multicast_addr.sin_family = AF_INET;
    multicast_addr.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);
    // 多播组地址转换为网络字节序
    if (inet_pton(AF_INET, MULTICAST_GROUP, &multicast_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid multicast group address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 循环发送多播消息（发送方无需加入多播组）
    while (1) {
        ssize_t len = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0,
                            (struct sockaddr*)&multicast_addr, sizeof(multicast_addr));
        if (len < 0) {
            perror("sendto failed");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("Multicast sent: %s\n", msg);
        sleep(2);  // 每2秒发送一次
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

接收端

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

#define MULTICAST_PORT 9999
#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.1"
// 本地网卡IP（需根据实际环境修改，例如192.168.1.100）
#define LOCAL_IP "192.168.1.100"
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in local_addr;
    struct ip_mreq mreq;  // 多播组加入请求结构体
    struct sockaddr_in sender_addr;
    socklen_t sender_len = sizeof(sender_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 1. 创建UDP套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 配置本地地址（绑定到多播端口）
    memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有本地IP
    local_addr.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);

    // 3. 绑定套接字到本地端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 配置多播组加入信息
    // 设置要加入的多播组地址
    if (inet_pton(AF_INET, MULTICAST_GROUP, &mreq.imr_multiaddr.s_addr) <= 0) {
        perror("invalid multicast group");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 设置本地接口IP（多网卡时需指定，单网卡可用INADDR_ANY）
    if (inet_pton(AF_INET, LOCAL_IP, &mreq.imr_interface.s_addr) <= 0) {
        perror("invalid local IP");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 加入多播组（通过IP_ADD_MEMBERSHIP选项）
    if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {
        perror("setsockopt IP_ADD_MEMBERSHIP failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Joined multicast group %s, waiting for messages on port %d...\n",
           MULTICAST_GROUP, MULTICAST_PORT);

    // 6. 循环接收多播消息
    while (1) {
        ssize_t len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                              (struct sockaddr*)&sender_addr, &sender_len);
        if (len < 0) {
            perror("recvfrom failed");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        buffer[len] = '\0';

        printf("Received from %s:%d: %s\n",
               inet_ntoa(sender_addr.sin_addr),
               ntohs(sender_addr.sin_port),
               buffer);
    }

    // 退出时可离开多播组（实际中程序退出会自动离开）
    // setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));
    close(sockfd);
    return 0;
}