【Linux开发】 04 Linux UDP 网络编程

一、为什么需要 UDP？

TCP 提供可靠的、面向连接的传输服务，但代价是：

• 需要三次握手建立连接
• 需要四次挥手断开连接
• 需要维护连接状态（每个客户端一个套接字）
• 有流量控制、拥塞控制等复杂机制

这就好比打电话：必须先拨号、等待对方接听、才能说话，说完还要挂断。

UDP 则像是寄明信片：写好地址，直接扔进邮筒，不保证对方一定能收到，也不需要提前建立连接。它简单、快速，适合对实时性要求高、对可靠性要求不高的场景（如视频直播、DNS查询）。

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二、UDP 的核心特点

特性	说明
无连接	无需三次握手，直接发送数据
无消息边界	每个 sendto 发出的数据包是独立的消息，接收方用 recvfrom 一次收一个完整包（但可能丢包）
一对多通信	一个 UDP 套接字可以给多个不同地址发送数据
简单	不需要 listen、accept，只需 socket + bind（可选）
不可靠	可能丢包、乱序、重复，没有重传机制

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三、UDP 编程核心函数

UDP 使用 sendto 和 recvfrom 函数发送和接收数据，每次调用都需要指定对方的地址。

3.1 sendto -- 发送数据

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数	说明
sockfd	UDP 套接字描述符
buf	要发送的数据缓冲区
len	要发送的字节数
flags	通常为 0
dest_addr	目标主机的地址信息（IP + 端口）
addrlen	dest_addr 结构体的大小

返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1。

3.2 recvfrom -- 接收数据

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

参数	说明
sockfd	UDP 套接字描述符
buf	接收缓冲区
len	缓冲区大小
flags	通常为 0
src_addr	用于返回发送方的地址信息（IP + 端口）
addrlen	传入传出参数，指定 src_addr 的大小，并返回实际地址长度

返回值：成功返回接收的字节数，失败返回 -1。

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四、UDP 回声服务器实现

4.1 服务器端代码（udp_echo_server.c）

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock;                     // UDP 套接字
    char message[BUF_SIZE];            // 数据缓冲区
    int str_len;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;

    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    // 1. 创建 UDP 套接字（注意 SOCK_DGRAM）
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("UDP socket creation error");

    // 2. 绑定地址（服务器必须绑定，否则客户端不知道往哪发）
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // 本机任意 IP
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));       // 指定端口

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    // 3. 循环接收并回传数据
    while (1) {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        // 接收数据，同时获取发送方的地址
        str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        // 将收到的数据原样发回给发送方
        sendto(serv_sock, message, str_len, 0,
               (struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

关键点：

• 创建套接字时用 SOCK_DGRAM 表示 UDP。
• 服务器必须 bind 到固定端口，否则客户端无法找到它。
• 用 recvfrom 接收数据，同时获得客户端的地址。
• 用 sendto 将数据原路返回，目标地址就是刚才得到的客户端地址。

4.2 客户端代码（udp_echo_client.c）

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz;
    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;

    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    // 1. 创建 UDP 套接字
    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    // 2. 初始化服务器地址
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  // 服务器 IP
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));       // 服务器端口

    while (1) {
        fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
        fgets(message, sizeof(message), stdin);
        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;

        // 发送数据到服务器（每次都要指定服务器地址）
        sendto(sock, message, strlen(message), 0,
               (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));

        // 接收回声（同时获取发送方地址，这里就是服务器地址）
        adr_sz = sizeof(from_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);

        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

关键点：

• 客户端不需要 bind，第一次调用 sendto 时系统会自动分配一个随机端口。
• 每次发送都需要指定服务器地址。
• 接收时也用 recvfrom，可以拿到发送方地址（用于验证是否是服务器发回的）。

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五、UDP 地址分配的秘密

5.1 为什么客户端不 bind 也能工作？

TCP 客户端通过 connect 隐式绑定了本地地址。UDP 客户端调用 sendto 时，如果套接字尚未绑定地址，操作系统会自动为该套接字分配一个临时端口和本地 IP。这个地址一直保留到套接字关闭。

所以，UDP 客户端通常不需要显式调用 bind，除非你想固定使用某个端口。

5.2 什么时候需要显式 bind？

• 服务器：必须绑定知名端口，客户端才能找到。
• 客户端 ：如果需要固定端口（如某些防火墙规则），可以主动 bind。
• 多网卡场景：如果希望数据从特定网卡发送，可以绑定到特定 IP。

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六、UDP 的特性与注意事项

6.1 UDP 的数据包边界

UDP 是面向数据报 的协议，每个 sendto 发出的数据包，接收方用一个 recvfrom 就能完整接收（前提是缓冲区足够大）。如果接收缓冲区小于数据包大小，多余的数据会被丢弃。

因此，在 UDP 编程中，你需要保证发送的数据包大小不超过接收方的缓冲区，通常建议小于 1500 字节（以太网 MTU 限制）。

6.2 UDP 的不可靠性

UDP 不保证数据包能到达，也不保证顺序。如果网络发生拥塞，可能丢包；如果发送速度过快，接收方来不及处理，也可能丢包。应用层需要自己处理这些情况。

6.3 一对多通信

一个 UDP 套接字可以给多个不同地址发送数据，也可以接收来自任意地址的数据。这非常适合广播、多播等场景。

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七、拓展：如何实现可靠的 UDP？

虽然 UDP 本身不可靠，但可以在应用层增加可靠性机制，例如：

• 确认机制：发送方等待接收方的 ACK，超时则重传。
• 序号：给每个数据包编号，接收方检测丢包和乱序。
• 滑动窗口：流量控制，避免发送过快。

著名的可靠 UDP 协议有：RUDP、UDT、QUIC（HTTP/3 使用）。