网络编程UDP—socket实现（C++）

网络编程UDP—socket实现

前言
UDP客户端和服务端
UDP使用场景
UDP socket C++代码示例
- 客户端发送数据示例：
- 服务端接收数据示例：
关键函数的介绍
- bind 绑定-监听函数
- - 为什么一般都是监听所有网络接口呢？
  - - 为什么需要用inet_addr进行转换？
- sendto 发送函数
- socket函数
- sockaddr_in结构体

前言

UDP通信需要哪些必要信息
- IP地址
  - 用于定位通讯双方
- 端口号
  - 用于标识通信的具体应用或服务。
  - 传输层通信都需要端口号的。
网络要求
- 双方必须是可以进行ip通信的
  - UDP依赖IP协议栈（IPv4或IPv6）完成路由、传输
- 双方需要用同一协议

UDP客户端和服务端

客户端
构造数据报：包含目标IP、目标端口、数据内容。
发送数据报：使用套接字 sendto() 函数将数据发送到目标地址。
等待响应（如果有）：接收服务端返回的数据。
服务端
创建监听套接字：绑定到指定IP和端口。
等待数据：通过 recvfrom() 函数接收数据。
处理请求：解析数据内容并执行相应操作。
返回响应：将结果数据发送回客户端。

UDP使用场景

UDP适用于以下需要高效传输但容忍数据丢失的场景：

实时通信：
- 视频通话、语音通话（如VoIP）。
在线游戏：
- 游戏中快速同步状态。
流媒体传输：
- 实时视频、音频传输。
广播/组播：
- 数据包同时发送给多个主机（如局域网中发现服务）。
轻量级请求/响应：
- DNS查询、简单的远程控制。

UDP socket C++代码示例

客户端发送数据示例：

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字
    if (sock_fd < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080); // 目标端口号
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址

    const char* message = "Hello, UDP!";
    sendto(sock_fd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发送数据

    close(sock_fd);
    return 0;
}

服务端接收数据示例：

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字
    if (sock_fd < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080); // 监听端口
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网络接口

    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        close(sock_fd);
        return -1;
    }

    char buffer[1024];
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    int bytes_received = recvfrom(sock_fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len); // 接收数据
    if (bytes_received > 0) {
        buffer[bytes_received] = '\0';
        std::cout << "Received message: " << buffer << std::endl;
    }

    close(sock_fd);
    return 0;
}

关键函数的介绍

bind 绑定-监听函数

功能：
- bind 函数用于将套接字绑定到特定的IP地址和端口号，通常用于服务端监听套接字。
  - 服务器先运行监听特定的IP地址和端口号；然后客户端再

函数声明：

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

参数说明：

sockfd：
- 套接字描述符，由 socket 函数返回。
addr：
- 指向 sockaddr 结构体，表示要绑定的地址和端口。
  - 通常使用 sockaddr_in，需强制转换为 sockaddr。
addrlen：
- addr 的长度（使用 sizeof(sockaddr_in)）。

返回值：
成功：返回 0。
失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);        // 绑定端口号
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用IP地址

if (bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    perror("Bind failed");
    close(sock_fd);
}

为什么一般都是监听所有网络接口呢？

server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用IP地址

这行代码中的 INADDR_ANY 是一个常用的常量，它代表了一个特殊的 IP 地址，即 0.0.0.0。当你将它设置为服务器套接字的地址时，表示该服务器将监听所有网络接口。

理解什么是网络接口？
- 网络接口指计算机或设备上每一个可以用于发送或接收数据的网络连接通道。
  - 可以先理解为网卡，但是网络接口还包括一些虚拟网卡、本地回环接口（127.0.0.1）、甚至 VPN接口等，总的就是软硬网络通道。
服务器为什么一般监听所有网络接口？
- 因为理论上我们希望只要是服务器这个端口号接收的，不管是哪一个网络接口，都交给服务器应用程序处理；
- 除非我们就只想让服务器处理从某个网络接口接收的数据，才设置某一个网络接口的ip地址。例如：
  - 只想让服务器接受本地（同一台机器上的应用程序）发出的数据
```
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
```

为什么需要用inet_addr进行转换？

因为实际是采用网络字节序进行传输的，而用字符串形式十进制格式（如 “192.168.1.1”）只是为了人类方便阅读，所以需要转为网络字节序。

inet_addr作用
- 用于将一个点分十进制表示的 IPv4 地址（例如 “192.168.1.1”）转换为网络字节序的二进制格式。
inet_addr 将一个 IPv4 地址的点分十进制字符串（如 “192.168.1.1”）转换为网络字节序的 32 位整数。例如：
- “192.168.1.1” 在十进制中是：192 * 256^3 + 168 * 256^2 + 1 * 256^1 + 1 * 256^0
- 对应的二进制表示是：11000000 10101000 00000001 00000001
值得注意的是，inet_addr 已经不推荐使用，特别是在现代网络编程中，因为它对无效地址的处理可能不够清晰（比如返回 -1 会被误认为是有效的地址）。推荐使用 inet_pton 函数来替代，它更加健壮和安全。inet_pton 允许支持不同的地址族（IPv4 和 IPv6），并且不会出现类似 inet_addr 那样的错误返回值。

sendto 发送函数

功能：
- 用于通过UDP套接字发送数据报到指定地址和端口
函数声明

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：
- 套接字描述符，由 socket 函数返回。
buf：
- 指向要发送的数据的缓冲区。
len：
- 要发送的数据长度（字节数）。
flags：
- 传输标志，通常设置为 0。
dest_addr：
- 指向一个 sockaddr 结构体，表示目标地址。
  - 通常传入 sockaddr_in，需要通过强制类型转换为 sockaddr。
addrlen：
- dest_addr 的长度（使用 sizeof(sockaddr_in)）。
  返回值：
  成功：返回实际发送的字节数。
  失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

const char *message = "Hello, UDP!";
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");

sendto(sock_fd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

socket函数

作用
- 用于创建套接字socket，套接字是网络通信的基础，用于在客户端和服务端之间建立通信。
- 确定协议族（IPv4还是）、TCP还是UDP

函数声明

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明：

domain：指定通信的协议族（地址类型）。

AF_INET：IPv4。
AF_INET6：IPv6。
AF_UNIX：本地通信（不使用网络）。

type：指定套接字的类型。

SOCK_STREAM：TCP（面向连接，保证数据可靠性）。
SOCK_DGRAM：UDP（无连接，适合快速传输）。

protocol：通常指定为 0，表示使用默认协议。

如果 type 是 SOCK_DGRAM，默认使用 UDP 协议。
如果 type 是 SOCK_STREAM，默认使用 TCP 协议。

返回值：
成功：返回套接字描述符（非负整数）。
失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock_fd < 0) {
    perror("Socket creation failed");
}

sockaddr_in结构体

功能
- 用于表示 IPv4 地址和端口信息，通常在网络通信中用于绑定或指定目标地址。
定义：

struct sockaddr_in {
    short sin_family;        // 地址族（必须为 AF_INET）
    unsigned short sin_port; // 端口号（网络字节序，需要使用 htons() 转换）
    struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址
    char sin_zero[8];        // 填充字节，保持与 struct sockaddr 的大小一致（不使用，置 0）
};

字段说明：

sin_family：
- 必须设置为 AF_INET（IPv4协议）。
sin_port：
- 16位端口号，必须用 htons() 将主机字节序转换为网络字节序。
sin_addr：
- 一个 struct in_addr 结构体，表示IPv4地址。
  - 可以用 inet_addr() 或 inet_aton() 转换字符串形式的IP地址。
  - 也可以设置为 INADDR_ANY，表示绑定到本地所有可用IP。
sin_zero：
- 填充字段，不使用，应设置为 0。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;                // IPv4
server_addr.sin_port = htons(8080);              // 端口号（转换为网络字节序）
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址
memset(server_addr.sin_zero, 0, sizeof(server_addr.sin_zero)); // 填充为0