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文章目录
- 第 6 章 基于 UDP 的服务端/客户端
- 6.1 理解 UDP
- 6.1.1 UDP 套接字的特点
- 6.1.2 UDP 的工作原理
- 6.1.3 UDP 的高效使用
- 6.2 实现基于 UDP 的服务端/客户端
- 6.2.1 UDP 中的服务端和客户端没有连接
- 6.2.2 UDP 服务器和客户端均只需一个套接字
- 6.2.3 基于 UDP 的数据 I/O 函数
- 6.2.4 基于 UDP 的回声服务器端/客户端
- 6.2.5 UDP 客户端套接字的地址分配
- 6.3 UDP 的数据传输特性和调用 connect 函数
- 6.3.1 存在数据边界的 UDP 套接字
- 6.3.2 已连接（connect）UDP 套接字与未连接（unconnected）UDP 套接字
- 6.3.3 创建已连接 UDP 套接字
第 6 章 基于 UDP 的服务端/客户端
本章代码，在https://download.csdn.net/download/u011895157/87399399
中可以找到。
6.1 理解 UDP
6.1.1 UDP 套接字的特点
通过寄信来说明 UDP 的工作原理，这是讲解 UDP 时使用的传统示例，它与 UDP 的特点完全相同。寄信前应先在信封上填好寄信人和收信人的地址，之后贴上邮票放进邮筒即可。当然，信件的特点使我们无法确认信件是否被收到。邮寄过程中也可能发生信件丢失的情况。也就是说，信件是一种不可靠的传输方式，UDP 也是一种不可靠的数据传输方式。
因为 UDP 没有 TCP 那么复杂，所以编程难度比较小，性能也比 TCP 高。在更重视性能的情况下可以选择 UDP 的传输方式。
TCP 与 UDP 的区别很大一部分来源于流控制。也就是说 TCP 的生命在于流控制。
6.1.2 UDP 的工作原理
如图所示：
从图中可以看出，IP 的作用就是让离开主机 B 的 UDP 数据包准确传递到主机 A 。但是把 UDP 数据包最终交给主机 A 的某一 UDP 套接字的过程是由 UDP 完成的。UDP 的最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的 UDP 套接字。
6.1.3 UDP 的高效使用
UDP 也具有一定的可靠性。对于通过网络实时传递的视频或者音频时情况有所不同。对于多媒体数据而言，丢失一部分数据也没有太大问题，这只是会暂时引起画面抖动，或者出现细微的杂音。但是要提供实时服务，速度就成为了一个很重要的因素。因此流控制就显得有一点多余，这时就要考虑使用 UDP 。TCP 比 UDP 慢的原因主要有以下两点：
- 收发数据前后进行的连接设置及清除过程。
- 收发过程中为保证可靠性而添加的流控制。
如果收发的数据量小但是需要频繁连接时，UDP 比 TCP 更高效。
6.2 实现基于 UDP 的服务端/客户端
6.2.1 UDP 中的服务端和客户端没有连接
UDP 中的服务端和客户端不像 TCP 那样在连接状态下交换数据，因此与 TCP 不同，无需经过连接过程。UDP 中只有创建套接字和数据交换的过程，不必调用 listen 和 accept 函数
6.2.2 UDP 服务器和客户端均只需一个套接字
TCP 中，套接字之间应该是一对一的关系。若要向 10 个客户端提供服务，除了守门的服务器套接字之外，还需要 10 个服务器套接字。但在 UDP 中，不管是服务器端还是客户端都只需要 1 个套接字。只需要一个 UDP 套接字就可以向任意主机传输数据，如图所示：
图中展示了 1 个 UDP 套接字与 2 个不同主机交换数据的过程。也就是说，只需 1 个 UDP 套接字就能和多台主机进行通信。
6.2.3 基于 UDP 的数据 I/O 函数
创建好 TCP 套接字以后，传输数据时无需加上地址信息。因为 TCP 套接字将保持与对方套接字的连接。换言之，TCP 套接字知道目标地址信息。但 UDP 套接字不会保持连接状态（UDP 套接字只有简单的邮筒功能），因此每次传输数据时都需要添加目标的地址信息。这相当于寄信前在信件中填写地址。接下来是 UDP 的相关函数：
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
/*
成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
sock: 用于传输数据的 UDP 套接字
buff: 保存待传输数据的缓冲地址值
nbytes: 待传输的数据长度，以字节为单位
flags: 可选项参数，若没有则传递 0
to: 存有目标地址的 sockaddr 结构体变量的地址值
addrlen: 传递给参数 to 的地址值结构体变量长度
*/
上述函数与之前的 TCP 输出函数最大的区别在于，此函数需要向它传递目标地址信息。接下来介绍接收 UDP 数据的函数。UDP 数据的发送并不固定，因此该函数定义为可接受发送端信息的形式，也就是将同时返回 UDP 数据包中的发送端信息。
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);
/*
成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
sock: 用于传输数据的 UDP 套接字
buff: 保存待传输数据的缓冲地址值
nbytes: 待传输的数据长度，以字节为单位
flags: 可选项参数，若没有则传递 0
from: 存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址值
addrlen: 保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。
*/
编写 UDP 程序的最核心的部分就在于上述两个函数，这也说明二者在 UDP 数据传输中的地位。
6.2.4 基于 UDP 的回声服务器端/客户端
服务器代码：
#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;
char message[BUF_SIZE];
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);
}
//创建 UDP 套接字后，向 socket 的第二个参数传递 SOCK_DGRAM
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (serv_sock == -1)
error_handling("UDP socket creation eerror");
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
//分配地址接受数据，不限制数据传输对象
if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
error_handling("bind() error");
while (1)
{
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0,
(struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
//通过上面的函数调用同时获取数据传输端的地址。正是利用该地址进行逆向重传
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);
}
客户端代码：
#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);
}
//创建 UDP 套接字
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
error_handling("socket() error");
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
while (1)
{
fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
break;
//向服务器传输数据,会自动给自己分配IP地址和端口号
sendto(sock, message, strlen(message), 0,
(struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
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);
}
编译运行：
6.2.5 UDP 客户端套接字的地址分配
UDP 客户端缺少了把IP和端口分配给套接字的过程。TCP 客户端调用 connect 函数自动完成此过程，而 UDP 中连能承担相同功能的函数调用语句都没有。究竟在什么时候分配IP和端口号呢？
UDP 程序中，调用 sendto 函数传输数据前应该完成对套接字的地址分配工作，因此调用 bind 函数。当然，bind 函数在 TCP 程序中出现过，但 bind 函数不区分 TCP 和 UDP，也就是说，在 UDP 程序中同样可以调用。另外，如果调用 sendto 函数尚未分配地址信息，则在首次调用 sendto 函数时给相应套接字自动分配 IP 和端口。而且此时分配的地址一直保留到程序结束为止，因此也可以用来和其他 UDP 套接字进行数据交换。当然，IP 用主机IP，端口号用未选用的任意端口号。
综上所述，调用 sendto 函数时自动分配IP和端口号，因此，UDP 客户端中通常无需额外的地址分配过程。
6.3 UDP 的数据传输特性和调用 connect 函数
6.3.1 存在数据边界的 UDP 套接字
前面说得 TCP 数据传输中不存在数据边界，这表示数据传输过程中调用 I/O 函数的次数不具有任何意义
相反，UDP 是具有数据边界的协议，传输中调用 I/O 函数的次数非常重要。因此，输入函数的调用次数和输出函数的调用次数应该完全一致，这样才能保证接收全部已经发送的数据。
例如，调用 3 次输出函数发送的数据必须通过调用 3 次输入函数才能接收完。通过一个例子来进行验证：
bound_host1.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];
struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
socklen_t adr_sz;
int str_len, i;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
error_handling("socket() error");
memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
my_adr.sin_family = AF_INET;
my_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
my_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(sock, (struct sockaddr*)&my_adr, sizeof(my_adr)) == -1)
error_handling("bind() error");
for ( i = 0; i < 3; i++)
{
sleep(5);
adr_sz = sizeof(your_adr);
str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&your_adr, &adr_sz);
printf("Message %d: %s \n", i+1, message);
}
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
bound_host2.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 msg1[] = "Hi!";
char msg2[] = "I am another UDP host!";
char msg3[] = "Nice to meet you!";
struct sockaddr_in your_adr;
socklen_t your_adr_sz;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
error_handling("socket() error");
memset(&your_adr, 0, sizeof(your_adr));
your_adr.sin_family = AF_INET;
your_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
your_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
sendto(sock, msg2, sizeof(msg2), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
sendto(sock, msg3, sizeof(msg3), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
编译运行：
host1 是服务端，host2 是客户端，host2 一次性把数据发给服务端后，结束程序。但是因为服务端每隔五秒才接收一次，所以服务端每隔五秒接收一次消息。
从运行结果也可以证明 UDP 通信过程中 I/O 的调用次数必须保持一致
6.3.2 已连接（connect）UDP 套接字与未连接（unconnected）UDP 套接字
TCP 套接字中需注册待传传输数据的目标IP和端口号，而在 UDP 中无需注册。因此通过 sendto 函数传输数据的过程大概可以分为以下 3 个阶段：
- 第 1 阶段：向 UDP 套接字注册目标 IP 和端口号
- 第 2 阶段：传输数据
- 第 3 阶段：删除 UDP 套接字中注册的目标地址信息。
每次调用 sendto 函数时重复上述过程。每次都变更目标地址，因此可以重复利用同一 UDP 套接字向不同目标传递数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，反之，注册了目标地址的套接字称为连接 connected 套接字。显然，UDP 套接字默认属于未连接套接字。当一台主机向另一台主机传输很多信息时，上述的三个阶段中，第一个阶段和第三个阶段占整个通信过程中近三分之一的时间，缩短这部分的时间将会大大提高整体性能。
6.3.3 创建已连接 UDP 套接字
创建已连接 UDP 套接字过程格外简单，只需针对 UDP 套接字调用 connect 函数。
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr));
上述代码看似与 TCP 套接字创建过程一致，但 socket 函数的第二个参数分明是 SOCK_DGRAM 。也就是说，创建的的确是 UDP 套接字。当然针对 UDP 调用 connect 函数并不是意味着要与对方 UDP 套接字连接，这只是向 UDP 套接字注册目标IP和端口信息。
之后就与 TCP 套接字一致，每次调用 sendto 函数时只需传递信息数据。不仅可以使用 sendto、recvfrom 函数，还可以使用 write、read 函数进行通信。
代码如下：
客户端：
#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);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
error_handling("socket() error");
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
//与之前的代码不一样的地方，通过connect函数注册
connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
while (1)
{
fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
break;
//用write函数代替sendto函数，这边也可以用sendto函数
write(sock, message, strlen(message));//不能用sizeof，strlen计算实际的长度
str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
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);
}
服务端代码用小节6.2.4
编译运行：
