使用UDP套接字编程详解【C语言】

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种面向无连接的传输层协议，用于在计算机网络上发送数据。它与 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）相比具有轻量、高效的特点，但牺牲了可靠性和顺序传输的保证。udp的通信过程默认也是阻塞的。

无连接：UDP 是无连接的，不会维护连接状态，每次发送数据都是独立的。
不可靠性：UDP 不保证数据的可靠传输，数据报文可能丢失、重复或顺序错乱。
数据包大小：UDP 数据报文大小受限制，超过网络的最大传输单元（MTU）会被分片，可能导致性能下降。
顺序保证：UDP 不保证数据报文的顺序交付，接收方收到数据的顺序可能与发送方不同。
适用场景：适合实时数据传输，如实时音视频流、游戏数据更新等，对实时性要求高而对数据完整性要求较低的场景。

1.UDP通信流程

创建套接字：
- 首先，服务器端和客户端分别创建 UDP 套接字。套接字是应用程序与网络之间的接口，用于发送和接收数据。
绑定地址和端口（可选）：
- 在服务器端，可以选择将套接字绑定到特定的 IP 地址和端口上，以便客户端能够发送数据到指定的地址。客户端通常不需要绑定，而是直接向服务器发送数据。
发送数据报文：
- 客户端通过 sendto 函数将数据报文发送到服务器端的指定地址和端口。UDP 不需要建立连接，因此每个数据报文都是独立发送的，不会进行握手或状态管理。
接收数据报文：
- 服务器端使用 recvfrom 函数接收从客户端发送过来的数据报文。这个函数能够获取发送方的地址信息，以便服务器端可以知道从哪个客户端接收到数据。
处理数据：
- 服务器端和客户端在接收到数据后，可以根据协议和应用程序的需求对数据进行处理，例如解析、验证、响应等操作。
关闭套接字：
- 当通信结束或者程序不再需要使用套接字时，服务器端和客户端分别使用 close 函数关闭套接字，释放资源。

2.相关操作函数

2.1 `socket` 函数

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：创建一个套接字。
参数：
    domain：指定协议族，常用的有 AF_INET（IPv4 地址）和 AF_INET6（IPv6 地址）。
    type：指定套接字类型，常用的有 SOCK_DGRAM（数据报套接字，UDP）和 SOCK_STREAM（流式套接字，TCP）。
    protocol：通常设置为 0，表示使用默认协议。
返回值：返回一个非负的文件描述符（套接字描述符），表示套接字创建成功；返回 -1 表示创建失败。

2.2 `bind` 函数

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：将一个本地地址绑定到套接字。
参数：
    sockfd：套接字描述符，即 socket 函数返回的文件描述符。
    addr：指向 sockaddr 结构体的指针，包含要绑定的 IP 地址和端口信息。
    addrlen：addr 结构体的长度。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。
注意事项：
服务器端通常需要绑定一个固定的 IP 地址和端口，以便客户端能够发送数据到指定的地址。
客户端一般不需要绑定，而是直接发送数据到服务器端。

2.3 `sendto` 函数

#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);
功能：向指定的目标地址发送数据报文。
参数：
    sockfd：套接字描述符。
    buf：指向要发送数据的缓冲区。
    len：要发送数据的长度。
    flags：通常设置为 0，表示默认行为。
    dest_addr：指向 sockaddr 结构体的指针，包含目标地址（IP 地址和端口）信息。IP和端口都存储在这里边, 是大端存储的
    addrlen：dest_addr 结构体的长度。
返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1。
注意事项：
UDP 是无连接的，每次发送数据时都要指定目标地址。
数据报文的大小应小于网络的最大传输单元（MTU），以免发生分片，影响性能。

2.4 `recvfrom` 函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：从指定的源地址接收数据报文。
参数：
    sockfd：套接字描述符。
    buf：指向存放接收数据的缓冲区。
    len：缓冲区的大小。
    flags：通常设置为 0，表示默认行为。
    src_addr：指向 sockaddr 结构体的指针，用于存放发送方的地址信息。IP和端口都存储在这里边, 是大端存储的
    addrlen：src_addr 结构体的长度，在调用时需传入 src_addr 的实际长度。
返回值：成功返回接收到的字节数，失败返回 -1。
注意事项：
recvfrom 函数会阻塞直到接收到数据或发生错误。
可以通过 src_addr 参数获取发送方的 IP 地址和端口信息，用于处理接收到的数据。

2.5 `close` 函数

#include <unistd.h>
int close(int sockfd);
功能：关闭套接字。
参数：
    sockfd：要关闭的套接字描述符。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。
注意事项：
在不再需要使用套接字时应及时关闭，释放系统资源。
关闭套接字后，相关的文件描述符将不再可用，不能再进行数据发送和接收操作。

3.示例代码

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

#define PORT 8888
#define MAXLINE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    char buffer[MAXLINE];
    socklen_t client_len;
    ssize_t n;

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

    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));

    // 设置服务器地址结构
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定服务器地址到套接字
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    while (1) {
        client_len = sizeof(client_addr);

        // 接收来自客户端的消息
        n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, MAXLINE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
        buffer[n] = '\0';

        // 打印客户端信息
        char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
        printf("Received message from %s:%d - %s\n", client_ip, ntohs(client_addr.sin_port), buffer);

        // 发送响应消息给客户端
        strcpy(buffer, "Hello from server");
        sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&client_addr, client_len);
        printf("Server : Hello message sent\n");
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

作为数据接收端，服务器端通过bind()函数绑定了固定的端口，然后基于这个固定的端口通过recvfrom()函数接收客户端发送的数据，同时通过这个函数也得到了数据发送端的地址信息（recvfrom的第三个参数），这样就可以通过得到的地址信息通过sendto()函数给客户端回复数据了。

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

#define PORT 8888
#define MAXLINE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[MAXLINE];
    socklen_t server_len;
    ssize_t n;

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

    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

    // 设置服务器地址结构
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    while (1) {
        printf("Enter message to send : ");
        fgets(buffer, MAXLINE, stdin);

        // 发送消息给服务器
        sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
        printf("Message sent to server.\n");

        // 接收服务器的响应消息
        n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, MAXLINE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&server_addr, &server_len);
        buffer[n] = '\0';
        printf("Server : %s\n", buffer);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

作为数据发送端，客户端不需要绑定固定端口，客户端使用的端口是随机绑定的（也可以调用bind()函数手动进行绑定）。客户端在接收服务器端回复的数据的时候需要调用recvfrom()函数，因为客户端在发送数据之前就已经知道服务器绑定的固定的IP和端口信息了，所以接收服务器数据的时候就可以不保存服务器端的地址信息，直接将函数的最后两个参数指定为NULL即可。