网络编程：UDP Socket

1 核心概念

1.1 UDP (User Datagram Protocol)

定义：用户数据报协议。是一种无连接的、不可靠的、基于数据报的传输层协议。
本质：只负责把数据包扔出去，不保证对方收到，也不保证顺序。类似于"寄信 "或"发短信"。
特点：
- 无连接 (Connectionless)：通信前不需要建立连接（无三次握手），结束时不需要断开（无四次挥手）。
- 不可靠 (Unreliable)：不提供重传、排序、流量控制机制。数据可能丢失、重复或乱序。
- 面向数据报 (Datagram)：保留数据边界。发送方发 100 字节，接收方就得一次收 100 字节（不会像 TCP 那样出现粘包）。
- 高效：头部开销小（仅 8 字节），实时性高，适合视频会议、直播、广播等场景。

1.2 关键区别 (TCP vs UDP)

特性	TCP (打电话)	UDP (发短信)
连接性	面向连接 (三次握手)	无连接
可靠性	可靠 (重传、排序、校验)	不可靠 (尽力而为)
传输模式	字节流 (Stream)	数据报 (Datagram)
Socket 类型	`SOCK_STREAM`	`SOCK_DGRAM`
核心 API	`read` / `write`	`recvfrom` / `sendto`
应用场景	网页(HTTP)、文件传输(FTP)	视频流、DNS、广播

2 关键数据结构

需包含头文件：#include <netinet/in.h>

UDP 使用与 TCP 完全相同的地址结构体，没有区别。

IPv4 专用地址结构体

c 复制代码

struct sockaddr_in {
    short int          sin_family;  // 地址族 (必须设为 AF_INET)
    unsigned short int sin_port;    // 端口号 (网络字节序, 使用 htons)
    struct in_addr     sin_addr;    // IP 地址结构体
    unsigned char      sin_zero[8]; // 填充字节 (置0)
};

struct in_addr {
    unsigned long s_addr; // 32位 IP 地址 (网络字节序)
};

3 核心 API

需包含头文件：#include <sys/socket.h>

3.1 创建套接字

c 复制代码

int socket(int domain, int type, int protocol);

type：使用 SOCK_DGRAM (数据报套接字)。

3.2 绑定地址 (bind)

c 复制代码

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

接收端 (Server) ：必须绑定。类似于在门口挂个信箱，否则不知道收谁的信。
发送端 (Client) ：通常不需要绑定。系统会自动分配一个临时端口发送数据。

3.3 数据接收 (recvfrom)

UDP 没有连接，不知道数据从哪来，所以接收时必须同时拿"信的数据"和"发信人的地址"。

c 复制代码

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，并获取发送者的地址信息。
参数：
- src_addr：(传出参数) 用来存储发送方的 IP 和端口信息。
- addrlen：(传入传出参数) src_addr 的长度。
返回值：成功返回接收到的字节数，失败返回 -1。
注意：如果不关心是谁发的，后两个参数可填 NULL。

3.4 数据发送 (sendto)

UDP 没有连接，发送时必须每次都指定"发给谁"。

c 复制代码

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

功能：向指定的目标地址发送数据。
参数：
- dest_addr：(传入参数) 接收方的目标 IP 和端口结构体。
- addrlen：dest_addr 的长度。
返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1。

3.5 UDP 中通常不用

listen()：UDP 不需要监听，因为没有连接请求。
accept()：UDP 不需要接受连接。
connect()：UDP 可以调用，但含义不同（变为"已连接 UDP"），一般很少用。

4 标准 UDP 编程模型

阶段	接收端 (Receiver/Server)	发送端 (Sender/Client)
1. 准备	`socket(..., SOCK_DGRAM, ...)`	`socket(..., SOCK_DGRAM, ...)`
2. 地址	填充 `sockaddr_in` (本机 IP+端口)	填充 `sockaddr_in` (目标 IP+端口)
3. 绑定	`bind()` 必须执行	(通常省略，系统自动分配)
4. 通信	`recvfrom()` (阻塞等待数据，获取对方地址)	`sendto()` (直接发送，需指定目标地址)
5. 回复	`sendto()` (利用 recvfrom 得到的地址回复)	`recvfrom()` (如果需要等待回复)
6. 结束	`close()`	`close()`

5. UDP Echo 实验代码

5.1 接收端代码 (Server)

负责接收数据，打印发送者 IP，并原样回传。

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

#define PORT        8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main()
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in serv_addr, client_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

    // 1. 创建 UDP Socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 绑定地址 (Server 必须 Bind)
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family      = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网卡
    serv_addr.sin_port        = htons(PORT);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
        perror("bind");
        exit(1);
    }

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

    while (1)
    {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);

        // 3. 接收数据 (同时获取对方地址)
        int len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

        if (len > 0)
        {
            buffer[len] = '\0'; // 添加字符串结束符
            printf("Received from %s: %s\n",
                   inet_ntoa(client_addr.sin_addr), buffer);

            // 4. 回复数据 (发回给 sender)
            sendto(sockfd, buffer, len, 0,
                   (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

6.2 发送端代码 (Client)

负责发送数据到指定 IP，并等待回复。

c 复制代码

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

#define SERVER_PORT 8888
#define SERVER_IP   "192.168.7.2" // 板子IP

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[1024];

    // 1. 创建 UDP Socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 配置目标地址
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port   = htons(SERVER_PORT);
    inet_pton(AF_INET, (argc > 1 ? argv[1] : SERVER_IP), &serv_addr.sin_addr);

    while (1)
    {
        printf("Input > ");
        fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);

        // 3. 发送数据 (指定发给 serv_addr)
        sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0,
               (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

        // 4. 接收回复
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        int len = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,
                           NULL, NULL); // 不关心是谁回的，填NULL
        if (len > 0)
        {
            buffer[len] = '\0';
            printf("Echo: %s\n", buffer);
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}