【计网】从零开始使用UDP进行socket编程 --- 客户端与服务端的通信实现

news2024/11/16 20:48:19

在这里插入图片描述

人生不过如此，且行且珍惜。
自己永远是自己的主角，
不要总在别人的戏剧里充当着配角。
--- 林语堂 ---

从零开始学习socket编程---UDP协议

  • 1 客户端与服务端的通信
  • 2 设计UDP服务器类
    • 2.1 基础框架设计
    • 2.2 初始化函数
    • 2.3 启动函数
  • 3 设计客户端

1 客户端与服务端的通信

我们了解了网络编程的大概，今天我们就来使用UDP协议来实现客户端与服务端之间的通信过程：

  1. 客户端可以向服务端发送数据，并接收服务端传回的反馈信息。
  2. 服务端接收客户端发送的数据，并根据数据进行处理，重新发送给客户端。

通过这个框架我们可以的扩展出翻译单词 ， 多人聊天的功能。可以说只要实现服务端与客户端的通信，获取到的数据，就可对数据进行各种各样的处理！所以网络通信的基础很重要

我们先来回顾一下UDP socket编程的一些常用接口：

创建socket文件：

NAME
socket - create an endpoint for communication
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

domain： 选择通信方式 — 本地通信与网络通信
type: 选择协议— UDP/TCP
protocol: 默认使用0、
返回值是创建的socket文件操作符socketfd

bind绑定 ，将socket文件与IP地址绑定和端口号，也就是将进程与文件进行绑定。这样当数据包到达该端口和地址时，操作系统知道应该将数据传递给哪个应用程序。

NAME
       bind - bind a name to a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);

绑定时需要传入对应的struct sockaddr结构体指针和空间大小。我们知道其为父类，派生类有两种: sockaddr_in 和 sockaddr_un，按照需求强制类型转换就可以！

发送数据

NAME

 send, sendto, sendmsg - send a message on a socket

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

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

一般使用sendto函数

  1. sockfd: socket文件操作符，绑定了确定的IP地址与端口，保证数据按照该文件绑定的方式进行通信
  2. buf：指向包含要发送数据的缓冲区的指针。这个缓冲区应该已经填充了您想要发送的数据。
  3. len：buf指向的缓冲区中数据的长度，以字节为单位。这个值告诉sendto函数要发送多少字节的数据。
  4. flags：这个参数通常设置为0，表示没有特殊的发送选项。不过，它可以是一些标志的组合，比如 MSG_CONFIRM（用于TCP，确认路径是有效的）或MSG_DONTROUTE（数据不应该通过网关发送）。
  5. dest_addr：指向sockaddr结构体的指针，该结构体包含了数据将要发送到的目标地址和端口。对于IPv4，这通常是一个sockaddr_in结构体，而对于IPv6，则是一个sockaddr_in6结构体。
  6. addrlen：dest_addr指向的sockaddr结构体的大小，以字节为单位。这确保了无论在何种平台上，传递给sendto的都是正确的字节大小。

获取数据

NAME
       recv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socket

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

       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

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

       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

一般使用recvfrom函数，从socket文件中获取数据，并可以得到发送者的信息

  1. sockfd：从指定的socket文件中读取数据
  2. buf：缓冲区，将数据读取到这里
  3. len：缓冲区的长度
  4. src_addr：输出型参数，获取发送者的信息
  5. addrlen：输出型参数，获取发送者结构体的长度

认识了这些基础的函数，接下来我们就可以来实现服务器类了！

2 设计UDP服务器类

2.1 基础框架设计

首先我们先来搭建基础框架：

  1. 通过智能指针建立Udp对象
  2. Udpserver对象不可拷贝！
  3. Udpserver类内部需要一个_sockfd 文件操作符，_localport端口号 ， _localipIP地址，_isrunning运行判断符。
  4. 设置
    • 初始化接口 ：设置socket文件 ， 将文件与端口号和IP进行bind绑定。
    • 启动接口 ： 主要的运行程序，不断进行接收数据和发送数据。
    • 暂停接口 ：运行暂停！

我们需要的就是这样的一个整体框架，实现我们后面再说;

#include <aio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <memory>
#include <string>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>

#include "Log.hpp"
#include "nocopy.hpp"

const int gsockfd = -1;
const uint16_t glocalport = 8888;
const std::string glocalip = "192.1.1.1";

using namespace log_ns;

class UdpServer:public nocopy
{
public:
  UdpServer( std::string ip , uint16_t localport = glocalport) : _sockfd(gsockfd),
                                               _localport(localport),
                                               _localip(ip),
                                               isrunning(false)
  {
  }
  void InitServer()
  {
  }
  void Start()
  {
      
  }
  ~UdpServer()
  {
      if (_sockfd > gsockfd)
          ::close(_sockfd);
  }

private:
  int _sockfd;
  uint16_t _localport;
  std::string _localip;
  bool isrunning = false;
};

这里解决不可拷贝的做法是设置一个父类，将这个父类的拷贝构造，赋值重载都delete，那么作为派生类的UdpServer自然就不能进行拷贝了！

其中还加入了我们之前完成的日志系统

2.2 初始化函数

初始化化函数中需要进行以下操作：

  1. 创建socket文件，使用UDP协议的网络通信
  2. 将socket文件与IP地址和端口号进行绑定！ 注意需要struct sockaddr_in结构体，其中的成员变量要注意格式转换！！！主机序列和网络序列是不同的！！！可以通过以下函数进行转换：
    NAME
   htonl, htons, ntohl, ntohs - convert values between host and network byte order

SYNOPSIS
   #include <arpa/inet.h>
   //主机序列转换网络序列
   //如果主机字节序是大端字节序，则该函数不执行任何转换；
   //如果主机字节序是小端字节序，则该函数将整数的高位字节和低位字节进行交换。
   uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
   //用于确保16位整数在发送到网络之前是按照大端字节序排列的。其工作原理与htonl类似，但针对16位整数。
   uint16_t htons(uint16_t hostshort);
   //---------------------------------
   //用于将从网络接收到的32位整数转换为主机字节序。
   //如果主机字节序是大端字节序，则该函数不执行任何转换；
   //如果主机字节序是小端字节序，则该函数将整数的高位字节和低位字节进行交换。
   uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
   //用于将从网络接收到的16位整数转换为主机字节序。其工作原理与ntohl类似，但针对16位整数
   uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
    同样IP地址也需要进行转换，从字符串进行转换！！！
void InitServer()
    {
        // 创建立socket文件 得到文件描述符
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket failed!\n");
            exit(SOCKER_FD);
        }
        LOG(DEBUG, "create socket success , _sockfd:%d \n", _sockfd);

        // 创建struct sockaddr_in 结构体对象 先进行清空
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        // 设置通信类型 设置端口号(主机序列转网络序列)
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(_localport);
        // 设置IP地址 int_addr()
        local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_localip.c_str());
        //local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 服务器IP一般设置为0

        // bind将套接字与IP端口号进行绑定
        int n = ::bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));

        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind failed!\n");
            exit(SOCKET_BIND);
        }
        LOG(DEBUG, "bind socket success\n");
    }

2.3 启动函数

启动函数时服务器端的主要的运行过程，进行接收数据和发送数据：

  1. 首先通过recvfrom函数从socket文件中读取文件，并获取发送者的信息。
  2. 进行数据的处理，后期可以加入回调函数，进行处理！通过这个灵活的回调函数，我们可以实现非常多的功能！！！
  3. 将处理后的数据向客户端发送，
void Start()
    {
        isrunning = true;
        char inbuffer[1024];
        while (isrunning)
        {
            // 获取发送者的IP和端口号
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);
            // LOG(DEBUG , "开始读入数据！\n");
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
            // 读取到了数据
            if (n > 0)
            {
                // LOG(DEBUG , "读到了数据！\n");
                //  结尾标志
                inbuffer[n] = 0;
                uint16_t peerport = ntohs(peer.sin_port);
                std::string peerip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                std::cout << "[" << peerip << ": " << peerport <<"] =#" << inbuffer << std::endl;
                std::string str = "[udp_server echo]#";
                str += inbuffer;
                size_t m = sendto(_sockfd, str.c_str(), str.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);
            }
            else
            {
                std::cout << "recvfrom ,  error!" << std::endl;
            }
        }
    }

这样服务器类就写好了，接下来简单处理一下客户端

3 设计客户端

客户端相对服务端要简单一些：

  1. 首先根据传入的参数进行IP地址和端口号的确定，
  2. 创建socket文件，注意不能进行bind绑定，如果客户端可以主动，那么就会导致很多进程出现冲突！！！所以只能进行随机分配。
  3. 设置 sockaddr_in server结构体设置
  4. 进入客户端主要运行过程，获取数据，然后通过sendto函数发送数据！
  5. 通过recvfrom获取数据，并且获取自身的IP地址和端口号，此时操作系统就对进程进行分配了端口！
  6. 获取数据之后进行处理！
#include <aio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <memory>
#include <string>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>

#include "Log.hpp"

enum
{
    SOCKER_FD = 1,
    SOCKET_BIND
};

using namespace log_ns;

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server-ip server-port" << std::endl;
        exit(0);
    }
    //根据传入的参数获取服务端的IP和端口号
    std::string ip = argv[1];-+
    int port = std::stoi(argv[2]);
    //建立套接字socket 
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        LOG(FATAL, "socket failed!\n");
        exit(SOCKER_FD);
    }
    LOG(DEBUG, "Client create socket success , _sockfd:%d \n", sockfd);

    // client的端口号，一般不让用户自己设定，而是让client OS随机选择？怎么选择，什么时候选择呢？
    // client 需要 bind它自己的IP和端口， 但是client 不需要 “显示” bind它自己的IP和端口， 
    // client 在首次向服务器发送数据的时候，OS会自动给client bind它自己的IP和端口

    //设置服务器结构体
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));//数据归零
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(port); //端口号
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());//ip地址

    //循环发送接收数据
    while(1)
    {
        //发送数据
        std::string line;
        std::cout << "Please Enter: " ;
        std::getline(std::cin , line );
        //std::cout << "line message is@ " << line << std::endl;

        //ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
        int n = sendto(sockfd , line.c_str() , line.size() , 0 , (struct sockaddr *)&server , sizeof(server));
        if(n > 0)
        {
            //进行获取数据
            struct sockaddr_in temp;
            socklen_t len = sizeof(temp);
            char buffer[512];
            //ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
            ssize_t m = recvfrom(sockfd , buffer , sizeof(buffer) - 1 , 0 , (struct sockaddr *)&temp , &len);
            if(m > 0)
            {
                buffer[m] = 0;
                std::cout << buffer << std::endl;
            }
            else
            {
                std::cout << "m < 0 程序退出 !"<<std::endl;
                break;
            }
        }   
        else
        {
            std::cout << "n < 0 程序退出 !"<<std::endl;
            break;
        }
    }
    ::close(sockfd);

    return 0;
}

此时就可以进行通信了！！！
下一篇我们来对通信的基础上进行功能扩展！！！

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