基于UDP的套接字通信

udp是一个面向无连接的，不安全的，报式传输层协议，udp的通信过程默认也是阻塞的。

  • UDP通信不需要建立连接 ，因此不需要进行connect()操作

  • UDP通信过程中，每次都需要指定数据接收端的IP和端口，和发快递差不多

  • UDP不对收到的数据进行排序，在UDP报文的首部中并没有关于数据顺序的信息

  • UDP对接收到的数据报不回复确认信息，发送端不知道数据是否被正确接收，也不会重发数据。

  • 如果发生了数据丢失，不存在丢一半的情况，如果丢当前这个数据包就全部丢失了

1. 通信流程

使用UDP进行通信，服务器和客户端的处理步骤比TCP要简单很多，并且两端是对等的 （通信的处理流程几乎是一样的），也就是说并没有严格意义上的客户端和服务器端。UDP的通信流程如下：

1.1 服务器端

假设服务器端是接收数据的角色：

  1. 创建通信的套接字

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    // 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

  2. 使用通信的套接字和本地的IP和端口绑定，IP和端口需要转换为大端(可选)

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    bind();

  3. 通信

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    // 接收数据
    recvfrom();
    // 发送数据
    sendto();

  4. 关闭套接字（文件描述符）

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    close(fd);

1.2 客户端

假设客户端是发送数据的角色：

  1. 创建通信的套接字

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    // 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

  2. 通信

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    4
    // 接收数据
    recvfrom();
    // 发送数据
    sendto();

  3. 关闭套接字（文件描述符）

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    close(fd);

在UDP通信过程中，哪一端是接收数据的角色，那么这个接收端就必须绑定一个固定的端口，如果某一端不需要接收数据，这个绑定操作就可以省略不写了，通信的套接字会自动绑定一个随机端口。

2. 通信函数

基于UDP进行套接字通信，创建套接字的函数还是socket()但是第二个参数的值需要指定为SOCK_DGRAM，通过该参数指定要创建一个基于报式传输协议的套接字，最后一个参数指定为0表示使用报式协议中的UDP协议。

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int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 参数:
    • domain：地址族协议，AF_INET -> IPv4，AF_INET6-> IPv6
    • type：使用的传输协议类型，报式传输协议需要指定为 SOCK_DGRAM
    • protocol：指定为0，表示使用的默认报式传输协议为 UDP
  • 返回值：函数调用成功返回一个可用的文件描述符（大于0），调用失败返回-1

另外进行UDP通信，通信过程虽然默认还是阻塞的，但是通信函数和TCP不同，操作函数原型如下：

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// 接收数据, 如果没有数据,该函数阻塞
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  • 参数:
    • sockfd: 基于udp的通信的文件描述符
    • buf: 指针指向的地址用来存储接收的数据
    • len: buf指针指向的内存的容量, 最多能存储多少字节
    • flags: 设置套接字属性，一般使用默认属性，指定为0即可
    • src_addr: 发送数据的一端的地址信息，IP和端口都存储在这里边, 是大端存储的
      • 如果这个参数中的信息对当前业务处理没有用处, 可以指定为NULL, 不保存这些信息
    • addrlen: 类似于accept() 函数的最后一个参数, 是一个传入传出参数
      • 传入的是src_addr参数指向的内存的大小, 传出的也是这块内存的大小
      • 如果src_addr参数指定为NULL, 这个参数也指定为NULL即可
  • 返回值：成功返回接收的字节数，失败返回-1
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// 发送数据函数
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  • 参数:
    • sockfd: 基于udp的通信的文件描述符
    • buf: 这个指针指向的内存中存储了要发送的数据
    • len: 要发送的数据的实际长度
    • flags: 设置套接字属性，一般使用默认属性，指定为0即可
    • dest_addr: 接收数据的一端对应的地址信息, 大端的IP和端口
    • addrlen: 参数 dest_addr 指向的内存大小
  • 返回值：函数调用成功返回实际发送的字节数，调用失败返回-1

3. 通信代码

在UDP通信过程中，服务器和客户端都可以作为数据的发送端和数据接收端，假设服务器端是被动接收数据，客户端是主动发送数据，那么在服务器端就必须绑定固定的端口了。

3.1 服务器端

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

int main()
{
    // 1. 创建通信的套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket");
        exit(0);
    }

    // 2. 通信的套接字和本地的IP与端口绑定
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9999);    // 大端
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 0.0.0.0
    int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind");
        exit(0);
    }

    char buf[1024];
    char ipbuf[64];
    struct sockaddr_in cliaddr;
    int len = sizeof(cliaddr);
    // 3. 通信
    while(1)
    {
        // 接收数据
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        int rlen = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
        printf("客户端的IP地址: %s, 端口: %d\n",
               inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
               ntohs(cliaddr.sin_port));
        printf("客户端say: %s\n", buf);

        // 回复数据
        // 数据回复给了发送数据的客户端
        sendto(fd, buf, rlen, 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
    }

    close(fd);

    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。

3.2 客户端

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

int main()
{
    // 1. 创建通信的套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket");
        exit(0);
    }
    
    // 初始化服务器地址信息
    struct sockaddr_in seraddr;
    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(9999);    // 大端
    inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &seraddr.sin_addr.s_addr);

    char buf[1024];
    char ipbuf[64];
    struct sockaddr_in cliaddr;
    int len = sizeof(cliaddr);
    int num = 0;
    // 2. 通信
    while(1)
    {
        sprintf(buf, "hello, udp %d....\n", num++);
        // 发送数据, 数据发送给了服务器
        sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&seraddr, sizeof(seraddr));

        // 接收数据
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        printf("服务器say: %s\n", buf);
        sleep(1);
    }

    close(fd);

    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。