系统编程-UDP

UDP

引入

使用 UDP 的注意事项

一、单播的流程 -- 一对一

如何实现端口和地址重复绑定

二、广播的流程 -- 一对多

三、组播的流程 -- 多对多

加入组播，需要使用 setsockopt 函数

主要代码 -- 主要是发送方

引入

-- UDP协议的特点

无连接性： UDP是无连接的协议，这意味着通信的双方不需要在通信之前建立连接。每个UDP数据报都是独立的，它们可以单独发送，没有依赖关系。
不可靠性： UDP不提供数据传输的可靠性保证。它不会像TCP那样提供重传、确认和流量控制等机制。这意味着如果发送的数据丢失或者损坏，UDP不会自动重新发送，需要应用层自行处理。
速度和低延迟：由于没有连接状态维护和复杂的确认机制，UDP的开销比TCP小，因此在速度和延迟方面表现更好。这使得它适用于实时应用，如语音通话和在线游戏。
数据报格式： UDP数据报包含了目标端口号和源端口号，这些信息用于将数据传递给正确的应用程序。但是，数据报本身没有保证按顺序到达或完整到达。
无拥塞控制： UDP不具备TCP的拥塞控制机制，因此在网络拥塞的情况下，UDP数据报可能会丢失或延迟增加。
广播和多播支持： UDP支持向特定组中的多个主机发送数据，这称为多播（Multicast）。也可以将数据报广播到网络中的所有主机，这称为广播（Broadcast）。
适用场景： UDP适用于需要快速传输和实时性要求较高的应用，如语音和视频流、在线游戏、实时传感数据等。它不适用于需要可靠传输和数据完整性的场景，因为这些方面没有被UDP提供。

一对一单播
一对多广播
多对多组播
在 UDP 中没有客户端和服务器之分
只有发送方和接收方

使用 UDP 的注意事项

-- 1 使用 udp 通信时创建的套接字时用的参数与 tcp 不同

int socket(int domain, int type, int protocol) domain：AF_INET
type：SOCK_DGRAM -- 表示使用UDP
protocol：0
成功返回 udp 通信套节字
失败返回 -1

-- 2 udp 没有连接过程所以没有服务器端和客户端

只有发送方和接收方
发送方需要不需要接收方的 ip 和 port?
100%要知道
所以接收方需要进行绑定操作将 ip 和 port 绑定到套接字上

-- 3 数据的发送和接收函数变了

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
-- 发送函数
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen) 函数前四个参数跟 send 函数一模一样
后面两个参数需要填写接收方的 ip 和 port
dest_addr：填写接收方的 ip 和 port

-- 接收函数
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen)

-- 函数的参数：

src_addr:用来保存发送方的 ip 和 port
addrlen：填写一个保存了第二个参数结构体大小的变量的地址

一、单播的流程 -- 一对一

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-- 接收方：

1、创建通信套接字
socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)
2、 bind 自己的 ip 和 port
方便发送方发送数据

-- 注：不进行bind操纵，套接字也会有ip和端口，但是是随机分配的，所以发送方无法发送数据，所以bind的主要作用是分配一个指定的ip和端口。

3、接收方 recvfrom 就可以了
(1) char *inet_ntoa(struct in_addr in)
接收方保存了发送的 ip 可以通过这个函数转化成点分十进制
(2) uint16_t ntohs(uint16_t netshort)
将大端的端口转化为小端

-- 发送方

1、创建套节字
2、直接发送至指定的 ip 和 port

-- 注：udp只管发送，那么他怎么知道发送给谁呢？
send_to函数有接受方的ip和port，接收方bind了ip和port，所以发送方和接收方就建立了联系。

如何实现端口和地址重复绑定

-- 在程序中写下如下代码即可

int opt = 1;
// sockfd 为需要端口复用的套接字
setsockopt(要复用的套接字, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT, (const void *)&opt, sizeof(opt));

二、广播的流程 -- 一对多

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-- 广播：特殊的地址：网络号.255

例如：广播地址是192.168.110.255，其中主机号部分（最后一个八位字节）全部为255，表示网络中的所有主机。

-- 广播的地址是特定的

在终端输入ifconfig，broadcast 后面就是广播地址

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你向这个广播地址发送的消息会被转发到当前局域网的所有主机下
如向192.168.110.255 这个 IP 发送消息
192.168.110.0~192.168.110.254 这些 IP 都会收到消息
所有的 192.168.110.xxx 的地址都会收到消息

sento 中发送的端口和自身接受的端口必须一样
前提必须是同一个端口 port
接收广播的套节字的端口必须跟发送至广播的端口一致

-- 要想使用广播必须要先激活广播

使用 setsockopt 函数进行激活广播权限
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen)

这个函数较为复杂
根据 level 的不同选项 optname 也会有不同的选项
level：选择 SOL_SOCKET
那么optname就选择SO_BROADCAST
optval：int 类型
optlen：sizeof(int)

-- 下面是激活广播的代码直接粘贴复制使用即可

1、在广播的发送方添加以下代码，表示端口可以复用，激活广播权限

int opt = 1;
// sockfd 为需要端口复用的套接字
setsockopt(socket, SO_BROADCAST,&opt,sizeof(opt));

2、广播的接收方绑定的地址必须为 INADDR_ANY

struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;  //表示用的是IPV4的地址
addr.sin_port = htons(PORT);//这里的PORT是共定义
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定地址必须为 INADDR_ANY

三、组播的流程 -- 多对多

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-- 只有加入组播的套节字才可以进行接收
多播(组播)

发送方需要加入一个特定的 ip 地址来实现组播，给这个组的IP和端口发送信息，会转发给所有在这个组播中的套接字
接受方需要加入组播的组ip才能接收到信息
！！！这里发送方要发送ip和接收方要加入的组ip是一致的
组播地址：D类地址

组播的 IP 地址：
224.0.0.0～224.0.0.255 为预留的组播地址（永久组地址），地址 224.0.0.0 保留不做分配，其它地址供路由
-- 协议使用 224.0.1.0～224.0.1.255 是公用组播地址，可以用于 Internet
224.0.2.0～238.255.255.255 为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效 -- 我们可以用的地址
239.0.0.0～239.255.255.255 为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效

加入组播，需要使用 setsockopt 函数

-- 函数头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

-- 函数原型

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

-- 函数的参数

sockfd：套接字
level：选项的级别

IPPROTO_IP -- IP 级别 -- 组播使用

optname：选项的名称

level 为 IPPROTO_IP
optname选IP_ADD_MEMBERSHIP 在指定接口上加入组播组

optval：当 optname 为 IP_ADD_MEMBERSHIP

optval 为该结构体

-- 结构体

struct ip_mreqn {       
struct in_addr imr_multiaddr; /* 多播组的地址 */
struct in_addr imr_address;
/* 本地的 IP 地址 */
int
imr_ifindex;
/* 接口索引 0 表示任意接口 */
};
imr_ifindex= ifnametoindex(“ens33”);

optlen：optval 的大小
多播流程：
1 创建 udp 套接字
2 如果要接受多播的消息需要加多播组，以下结构体为加入组播的代码

struct ip_mreqn addr = {0};
addr.imr_address.s_addr = INADDR_ANY;
addr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.224.224.224");
setsockopt(fd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&addr,sizeof(addr));

3 绑定自身的 ip 和 port
port 需要跟多播的端口一样
4 recvfrom
如果要向多播组发送消息直接 sendto 多播的 ip 和 port 就可以了

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主要代码 -- 主要是发送方

单播发送方

char buff[30]={0};
    int num = 0;

    struct sockaddr_in R_addr = {0};
    R_addr.sin_family = AF_INET;
    R_addr.sin_port = htons(PORT);//发送的端口
    R_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);//发送的 IP

    while(1)
    {
        sprintf(buff,"num:%d",num++);
        sendto(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr *)&R_addr,sizeof(R_addr));
        perror("sendto()");
        sleep(1);

    }

单播接收方

struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
    bind(fd, (struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));

    char buff[50]={0};
    struct sockaddr_in S_addr = {0};
    int len = sizeof(S_addr);

    while(1)
    {
        recvfrom(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr*)&S_addr,
        &len);
        printf("IP:%s\n",inet_ntoa(S_addr.sin_addr));
        //将大端转化为小端
        printf("PORT:%d\n",ntohs(S_addr.sin_port));
        printf("接收到：%s\n",buff);
    }

广播发送方

char buff[30]={0};
    int num = 0;

    int opt = 1;
    setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&opt,sizeof(opt));

    struct sockaddr_in R_addr = {0};
    R_addr.sin_family = AF_INET;
    R_addr.sin_port = htons(PORT);//发送的端口
    R_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);//发送的 IP

    while(1)
    {
        sprintf(buff,"num:%d",num++);
        sendto(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr *)&R_addr,sizeof(R_addr));
        perror("sendto()");
        sleep(1);
    }

广播接收方

struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(fd, (struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));

    char buff[50]={0};
    struct sockaddr_in S_addr = {0};
    int len = sizeof(S_addr);

    while(1)
    {
        recvfrom(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr*)&S_addr,
        &len);
        printf("IP:%s\n",inet_ntoa(S_addr.sin_addr));
        //将大端转化为小端
        printf("PORT:%d\n",ntohs(S_addr.sin_port));
        printf("接收到：%s\n",buff);
    }

组播发送方

char buff[30]={0};
    int num = 0;


    struct sockaddr_in R_addr = {0};
    R_addr.sin_family = AF_INET;
    R_addr.sin_port = htons(PORT);//发送的端口
    R_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);//发送的 IP

    
    while(1)
    {
        sprintf(buff,"num:%d!!!",num++);
        sendto(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr *)&R_addr,sizeof(R_addr));
        perror("sendto()");
        sleep(1);

    }

组播接收方

struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(fd, (struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));

    struct ip_mreqn addr1 = {0};
    addr1.imr_address.s_addr = INADDR_ANY;
    addr1.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.2.2.2");
    setsockopt(fd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&addr1,sizeof(addr1));

    char buff[50]={0};
    struct sockaddr_in S_addr = {0};
    int len = sizeof(S_addr);

    while(1)
    {
        recvfrom(fd,buff,sizeof(buff),0,(struct sockaddr*)&S_addr,&len);
        printf("IP:%s\n",inet_ntoa(S_addr.sin_addr));
        //将大端转化为小端
        printf("PORT:%d\n",ntohs(S_addr.sin_port));
        printf("接收到：%s\n",buff);
    }