37、UDP网络编程入门

UDP网络编程入门

一、网络编程基础理论

1.1 网络模型：OSI七层与TCP/IP四层

网络通信的体系结构有两大核心模型，其中OSI模型是通用参考模型，TCP/IP模型是互联网实际应用模型，二者的对应关系如下：

OSI七层模型	核心功能	TCP/IP四层模型	核心协议/技术
应用层	为用户提供网络服务（邮件、文件传输等）	应用层	HTTP、FTP、TFTP、DNS、SNMP
表示层	统一数据表示形式，完成数据加密/解密	应用层	（TCP/IP模型中合并至应用层）
会话层	管理进程会话，协调通信过程	应用层	（TCP/IP模型中合并至应用层）
传输层	管理端到端数据传输，提供可靠/不可靠服务	传输层	TCP（可靠传输）、UDP（实时传输）
网络层	路由选择、网际互连，定位目标主机	网络层	IP、ICMP（ping命令）、RIP、OSPF、IGMP
数据链路层	物理地址寻址、数据帧封装、差错控制	接口层	ARP（IP转MAC）、RARP
物理层	将数据转为电信号，通过网络介质传输	接口层	网卡、双绞线、光纤、无线信道

1.2 核心概念解析

（1）IP地址与端口

IP地址 ：由网络位+主机位组成，用于识别网络中的主机，主流为IPv4（32位，如192.168.14.128），未来将逐步过渡到IPv6。
端口号 ：用于识别主机上的应用程序，范围为1_{65535，其中1}1023为系统保留端口，1024~65535为用户自定义端口。
IP+端口：唯一标识网络中的某个应用程序，是网络通信的基础地址标识。

（2）Socket（套接字）

Socket是应用程序与内核网络协议栈的接口，本质是一个文件描述符，通过它可以实现网络数据的收发操作，是网络编程的核心入口。

（3）字节序

主机字节序：主流CPU（Intel、AMD、ARM）采用小端存储（低字节存低地址）。
网络字节序：网络设备统一采用大端存储（高字节存低地址）。
转换函数：htons()（主机短整型转网络字节序）、inet_addr()（点分十进制IP转网络字节序IP）。

（4）网络配置相关命令

命令	功能
`ifconfig`	查看/临时配置网络信息（如`ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up`临时设置IP）
`sudo vim /etc/network/interfaces`	编辑Ubuntu永久网络配置文件
`sudo /etc/init.d/networking restart`	重启网络服务，加载永久配置
`ping www.baidu.com`	测试网络连通性
`netstat -anp`	查看本机所有网络通信连接与进程关联
`sudo reboot -f`	强制重启系统，生效网络配置

1.3 DHCP与DNS

DHCP（动态主机配置协议）：自动为主机分配IP地址、子网掩码、网关等网络参数，无需手动配置。
DNS（域名系统） ：将人类易记的域名（如www.baidu.com）翻译成机器可识别的IP地址，实现域名到IP的映射。

二、UDP协议详解

2.1 UDP核心特性

UDP（用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，核心特性如下：

无连接：通信双方无需建立连接，直接发送数据，节省连接建立开销。
低延迟：无需确认、重传等机制，数据传输速度快，适合实时场景。
网络资源使用率低：协议头部简单（仅8字节），开销小。
不可靠传输：不保证数据的有序到达和完整性，可能出现丢包、乱序。

2.2 UDP数据报特点

数据与数据之间有明确边界，接收方可以区分不同的数据包。
发送和接收的次数必须对应，发送10次数据，接收方也需调用10次接收函数才能完整获取。
无写阻塞：发送速度过快时，内核缓冲区满会导致数据丢失，需自行控制发送速率。
有读阻塞：接收方若无数据可读，会阻塞等待直到有数据到达。

2.3 UDP通信角色与流程

（1）通信角色

服务端：提供服务的一端，通常只有1个，负责绑定固定IP和端口，等待并处理客户端请求。
客户端：使用服务的一端，可有多台，无需绑定固定端口，直接向服务端发送请求。

（2）函数调用流程

角色	核心流程	关键函数
服务端	创建套接字→绑定IP和端口→循环接收客户端数据→回复数据→关闭套接字	`socket()`→`bind()`→`recvfrom()`→`sendto()`→`close()`
客户端	创建套接字→向服务端发送数据→接收服务端回复→关闭套接字	`socket()`→`sendto()`→`recvfrom()`→`close()`

三、UDP实战：时间戳回显服务（完整代码）

本节实现一个简单的UDP服务端，接收客户端发送的消息后，拼接当前时间戳再回复给客户端；客户端循环发送消息并接收回复，展示UDP通信的完整流程。

3.1 服务端代码（udp_server.c）

c 复制代码

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

// 定义套接字地址结构体指针别名，简化代码
typedef struct sockaddr *(SA);

int main(int argc, char **argv)
{
    // 1. 创建UDP套接字
    // AF_INET：IPv4地址族，SOCK_DGRAM：UDP数据报套接字，0：自动适配协议
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (-1 == sockfd)
    {
        perror("socket create failed");
        return 1;
    }
    printf("UDP套接字创建成功，套接字描述符：%d\n", sockfd);

    // 2. 初始化服务端地址结构体
    struct sockaddr_in ser_addr, cli_addr;
    bzero(&ser_addr, sizeof(ser_addr));  // 清空结构体内存
    bzero(&cli_addr, sizeof(cli_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;  // 指定IPv4地址族
    ser_addr.sin_port = htons(50000);  // 端口号转网络字节序（50000为自定义端口）
    // 绑定本机IP（192.168.14.128），也可使用INADDR_ANY绑定所有网卡IP
    ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");

    // 3. 绑定套接字与服务端IP+端口
    int ret = bind(sockfd, (SA)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    if (-1 == ret)
    {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        return 1;
    }
    printf("套接字绑定成功，IP：192.168.14.128，端口：50000\n");

    // 4. 循环接收客户端数据并回复
    socklen_t cli_addr_len = sizeof(cli_addr);  // 客户端地址长度
    while (1)
    {
        char buf[512] = {0};  // 接收缓冲区

        // 接收客户端数据（阻塞等待）
        // (SA)&cli_addr：用于存储客户端地址信息，&cli_addr_len：客户端地址长度
        ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli_addr, &cli_addr_len);
        if (recv_len < 0)
        {
            perror("recvfrom failed");
            continue;
        }
        // 打印客户端信息与接收的数据
        printf("收到客户端[%s:%d]消息：%s\n", 
               inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port), buf);

        // 获取当前系统时间，拼接至接收的消息后
        time_t current_time;
        time(&current_time);
        struct tm *time_info = localtime(&current_time);
        sprintf(buf, "%s %02d:%02d:%02d", buf, 
                time_info->tm_hour, time_info->tm_min, time_info->tm_sec);

        // 回复客户端数据
        ssize_t send_len = sendto(sockfd, buf, strlen(buf) + 1, 0, (SA)&cli_addr, cli_addr_len);
        if (send_len < 0)
        {
            perror("sendto failed");
            continue;
        }
        printf("已回复客户端[%s:%d]消息：%s\n", 
               inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port), buf);
    }

    // 5. 关闭套接字（实际因while(1)循环，此处不会执行，可通过Ctrl+C终止）
    close(sockfd);
    return 0;
}

服务端代码关键解析

socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建IPv4 UDP套接字，返回文件描述符。
bind()：将套接字与固定IP和端口绑定，服务端必须绑定，否则客户端无法定位服务端。
recvfrom()：接收客户端数据，同时获取客户端地址信息，便于回复。
sendto()：向指定客户端地址回复数据，需传入客户端地址结构体。
htons()/inet_addr()：完成主机字节序到网络字节序的转换，保证跨设备通信兼容性。

3.2 客户端代码（udp_client.c）

c 复制代码

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

typedef struct sockaddr *(SA);

int main(int argc, char **argv)
{
    // 1. 创建UDP套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (-1 == sockfd)
    {
        perror("socket create failed");
        return 1;
    }
    printf("UDP客户端套接字创建成功\n");

    // 2. 初始化服务端地址结构体（指定服务端IP和端口）
    struct sockaddr_in ser_addr;
    bzero(&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_port = htons(50000);  // 与服务端端口保持一致
    ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");  // 服务端IP

    // 3. 循环发送消息给服务端，接收回复
    int send_count = 10;  // 循环发送10次消息
    while (send_count--)
    {
        char buf[512] = "hello";  // 要发送的消息
        // 向服务端发送数据
        ssize_t send_len = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
        if (send_len < 0)
        {
            perror("sendto failed");
            close(sockfd);
            return 1;
        }
        printf("已向服务端发送消息：%s（剩余发送次数：%d）\n", buf, send_count);

        // 接收服务端回复
        bzero(buf, sizeof(buf));  // 清空接收缓冲区
        ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        if (recv_len < 0)
        {
            perror("recvfrom failed");
            close(sockfd);
            return 1;
        }
        printf("收到服务端回复：%s\n", buf);

        sleep(1);  // 每隔1秒发送一次
    }

    // 4. 关闭套接字
    close(sockfd);
    printf("客户端正常退出\n");
    return 0;
}

客户端代码关键解析

客户端无需调用bind()：内核会自动为客户端分配随机端口和本机IP，不影响与服务端通信。
sendto()：直接向服务端地址发送数据，需指定服务端的IP和端口。
recvfrom(NULL, NULL)：客户端无需关心服务端地址（已明确），故传入NULL忽略服务端地址信息。
sleep(1)：控制发送速率，避免因发送过快导致丢包。

四、编译与运行步骤

4.1 环境准备

安装编译环境 ：Ubuntu系统中安装gcc编译器
bash 复制代码
```
sudo apt update && sudo apt install gcc -y
```
配置网络 ：确保服务端与客户端在同一局域网，或通过桥接模式实现通信
- 临时设置服务端IP：ifconfig ens33 192.168.14.128/24 up
- 测试网络连通性：ping 192.168.14.128（客户端ping服务端，确保网络通畅）

4.2 编译代码

bash 复制代码

# 编译服务端
gcc udp_server.c -o udp_server
# 编译客户端
gcc udp_client.c -o udp_client

4.3 运行程序

步骤1：启动服务端（先运行）

bash 复制代码

./udp_server

服务端输出：

复制代码

UDP套接字创建成功，套接字描述符：3
套接字绑定成功，IP：192.168.14.128，端口：50000

步骤2：启动客户端（新开终端，后运行）

bash 复制代码

./udp_client

客户端输出（示例）：

复制代码

UDP客户端套接字创建成功
已向服务端发送消息：hello（剩余发送次数：9）
收到服务端回复：hello 15:30:25
已向服务端发送消息：hello（剩余发送次数：8）
收到服务端回复：hello 15:30:26
...
客户端正常退出

步骤3：查看服务端输出（示例）

复制代码

收到客户端[192.168.14.129:41235]消息：hello
已回复客户端[192.168.14.129:41235]消息：hello 15:30:25
收到客户端[192.168.14.129:41235]消息：hello
已回复客户端[192.168.14.129:41235]消息：hello 15:30:26
...

五、常见问题排查

bind()失败：Address already in use
- 原因：端口50000已被其他进程占用。
- 解决：使用netstat -anp | grep 50000查找占用进程，杀死进程或更换端口。
无法接收/发送数据
- 检查服务端与客户端的IP是否正确，确保在同一网段。
- 检查防火墙是否拦截UDP端口，可关闭防火墙（sudo ufw disable）。
- 确认网络模式为桥接模式，避免NAT模式导致的网段隔离。
数据丢失
- 原因：UDP无流量控制，发送速率过快导致内核缓冲区溢出。
- 解决：在客户端增加sleep()控制发送速率，或在应用层实现流量控制。

六、总结与扩展

6.1 本文总结

网络模型：OSI七层是参考模型，TCP/IP四层是实际应用模型，二者对应关系需牢记。
UDP特性：无连接、低延迟、不可靠，适合实时场景，数据报有明确边界，收发次数需对应。
UDP编程流程：服务端（创建套接字→绑定→收发数据），客户端（创建套接字→收发数据）。
核心函数：socket()、bind()、recvfrom()、sendto()是UDP编程的基础。

6.2 扩展方向

多客户端通信 ：服务端通过recvfrom()获取不同客户端的地址，实现一对多通信。
数据校验：UDP无可靠性保证，可在应用层添加校验和、重传机制，提升数据传输可靠性。
TCP与UDP对比学习：TCP是面向连接的可靠传输，适合文件传输等场景，可进一步学习TCP编程。
网络编程进阶：学习套接字选项设置、非阻塞IO、多路复用（select/poll/epoll）等高级技术。