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UDP编程详解

作者：从前慢现在也慢 | 2024-02-15 12:06:09

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udp编程
1.1 编程准备—字节序、地址转换
1.1.1 字节序概述

字节序概念：是指多字节数据的存储顺序

分类：
​ 大端格式：将低位字节数据存储在低地址
​ 小端格式：将高位字节数据存储在低地址

注意：
​ LSB:低地址
​ MSB:高地址

如何判断当前系统的字节序：

#include <stdio.h>

union un
{
	int a;
	char b;
}

int main()
{
	union un myun;
	myun.a = 0x12345678;
	printf("a = %#x\n",myun.a);
	printf("b = %#x\n",myun.b);
	
	if(myun.b == 0x78){
		printf("小端存储\n");
	}
	else{
		printf("大端存储\n");
	}
	
	return 0;
}

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结果展示：

1.1.2 字节序转换函数
  1. 网络协议制定了通讯字节序——大端
  2. 只有在多字节数据处理时才需要考虑字节序
  3. 运行在同一台计算上的进程相互通信时，一般不用考虑字节序
  4. 异构计算机之间通讯，需要转换自己的字节序为网络字节序

在需要字节序转换的时候一般调用特定字节序转换函数

host --> network
1 -- htonl
#include<arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostint32);
功能：
	将32位主机字节序数据转换成网络字节序数据
参数：
	hostint32:	待转换的32位主机字节序数据
返回值：
	成功：返回网络字节序的值

2 -- htons
#include<arpa/inet.h>
uint16_t htons(uint16_t hostint16);
功能：
	将16位主机字节序数据转换成网络字节序数据
参数：
	hostint16:	待转换的16位主机字节序数据
返回值：
	成功：返回网络字节序的值

network --> host
3 -- ntohl
#include<arpa/inet.h>
uint32_t ntohl(uint32_t netint32);
功能：
	将32位网络字节序数据转换成主机字节序数据
参数：
	netint32:	待转换的32位网络字节序数据
返回值：
	成功：返回主机字节序数据

4 -- ntohs
#include<arpa/inet.h>
uint16_t ntohs(uint16_t netint16);
功能：
	将16位网络字节序数据转换成主机字节序数据
参数：
	netint16:	待转换的16位网络字节序数据
返回值：
	成功：返回主机字节序数据


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案例：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
	int a = 0x12345678;
	short a = 0x1234;
	
	printf("%#x\n",htonl(a));

	printf("%#x\n",htons(b));

	return 0;
}

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1.1.3 地址转换函数

人为识别的ip地址是点分十进制的字符串形式，但是计算机或网络中识别的ip地址是整型数据，所以需要转化

1.1.3.1 inet_pton函数
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int family,const char *strptr,void *addrptr);
功能：
	将点分十进制数串转换成32位无符号整数
参数：
	family	协议族
			AF_INET			ipv4网络协议
			AF_INET6		iPV6网络协议
	strptr	点分十进制数串
	addrptr	32位无符号整数的地址
返回值：
	成功返回1、失败返回其他

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案例：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
	char ip_str[] = "198.168.3.103";
	unsigned int ip_int = 0;
	unsigned char *ip_p = NULL;
	
	//将点分十进制ip地址转化为32位无符号整形数据
	inet_pton(AF_INET,ip_str,&ip_int);
	printf("ip_int = %d\n",ip_int;

	ip_p = (char *)&ip_int;
	printf("in_uint = %d,%d,%d,%d\n",*ip_p,*(ip_p+1),*(ip_p+2),*(ip_p+3));

	return 0;
}

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1.1.3.2 inet_ntop()函数
#include <arpa/inet.h>
const char * inet_ntop(int family,const void *addrptr,char *strptr, size_t len);
功能：
	将32位无符号整数转换成点分十进制数串的ip地址
参数：
	family	协议族
			AF_INET			ipv4网络协议
			AF_INET6		iPV6网络协议
	addrptr	32位无符号整数的地址
	strptr	点分十进制数串
	len		strptr缓存区长度
			len的宏定义
				#define INET_ADDRSTRLEN  16  //for ipv4
				#define INET6_ADDRSTRLEN 46	 //for ipv6
返回值：
	成功返回1、失败返回其他

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案例：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
	unsigned char ip_int[] = {198,168,3,103};
	char ip_str[16] = ""; //"198.168.3.103"刚好16个字节
	inet_ntop(AF_INET,&ip_int,ip_str,16);
	printf("ip_s = %s\n",ip_str);
	return 0;
}

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1.1.3.3 inet_addr()和inet_ntoa()

这两个函数只能用在ipv4地址的转换

#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能：
	将点分十进制ip地址转化为整型数据
参数：
	cp：点分十进制的ip地址
返回值：
	成功：整型数据
	
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能：将整型数据转化位点分十进制的ip地址
参数：
	in:	保存ip地址的结构体
返回值：
	成功:点分十进制的ip地址

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1.2 UDP介绍、编程流程
1.2.1 UDP概述

UDP协议
​ 面向无连接的用户数据报协议，在传输数据前不需要先建立连接；目的主机的运输层收到UDP报文后，不需要给出任何确认。

UDP特点

  1. 相对TCP速度稍快些；
  2. 简单的请求/应答应用程序可以使用UDP；
  3. 对于海量数据传输不应该使用UDP；
  4. 广播和多播应用必须使用UDP。

UDP应用
​ DNS(域名解析)、NFS(网络文件系统)、RTP(流媒体)等
​ 一般语音和视频童话都是使用UDP通信的。

1.2.2 网络编程接口socket

Socket作用：提供不同主机上的进程之间的通信；

Socket特点：

  1. socket也称”套接字“；
  2. 是一种文件描述符，代表了一个通信管道的一个端点；
  3. 类似对文件的操作一样，可以使用read、write、close等函数对socket套接字进行网络数据的收取和发送等操作；
  4. 得到socket套接字(描述符)的方法调用socket()。

socket分类：
SOCK_STREAM, 流式套接字，用于TCP;
SOCK_DGRAM, 数据报套接字，用于UDP;
SOCK_RAW, 原始套接字，对于其他层次的协议操作时需要使用这个类型

1.2.3 UDP编程C/S架构

UDP网络编程流程：

服务器：
​ 创建套接字socket()；
​ 将服务器的ip地址、端口号与套接字进行绑定；
​ 接收数据recvfrom()
​ 发送数据sendto()

客户端：
​ 创建套接字socket()
​ 发送数据sendto()
​ 接收数据recvfrom()
​ 关闭套接字close()

1.2.4 UDP编程—创建套接字
1.2.4.1 创建套接字
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：
	创建一个套接字，返回一个文件描述符；
参数：
	domain:通信域，协议族；
			AF_UNIX		本地通信
			AF_INET		ipv4网络协议
			AF_INET6	ipv6网络协议
			AF_PACKET	底层接口
	type:	套接字的类型
			SOCKET_STREAM	流式套接字（TCP）
			SOCKET_DGRAM	数据报套接字（UDP）
			SOCKET_RAW		原始套接字（用于链路层）
	特点：
			创建套接字时，系统不会分配端口
			创建的套接字默认属性是主动的，即主动发起服务的请求，当作为服务器时，往往需要修改为被动的。

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1.2.4.2 创建UDP套接字demo
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types>
int main(int argc, char const *argv[]){
	//使用socket函数创建套接字
	//创建一个用于UDP网络编程的套接字
	int sockfd = 0;
	sockfd = socket(AF_INET,SOCKE_DGRAM,0);
	if(sockfd < 0){
		perror("socket");
		exit(-1);
	}
	printf("sockfd = %d\n",sockfd);//任何一个进程在开启或创建的时候会分配三个文件描述符（0，1，2）
}

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1.2.5 UDP编程—发送、绑定、接收数据
1.2.5.1 ipv4套接字地址结构

在网络编程中经常使用的结构体

#include <netinet/in.h>

struct in_addr
{
	in_addr_t s_addr; // 4字节
}

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t sinfamily; //2字节；
	in_port_t 	sin_port;  //2字节；
	struct in_addr	sin_addr; //4字节；
	char sin_zero[8]		//8字节
}




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为了使不同格式地址能被传入套接字函数，地址须要强制转换成通用套接字地址结构,原因是因为不同场合所使用的结构体不一样，但是调用的函数却是同一个，所以定义一个通用结构体，当在指定场合使用时，在根据要求传入指定的结构体即可。

通用结构体sockaddr

头文件#include <netinet/in.h>
struct sockaddr
{
	sa_family_t sa_family;	//2字节
	char sa_data[14]		//14字节
}
//注意，以上3个结构在Linux系统中已经定义

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1.2.5.2 两种地址结构使用场合

在定义源地址和目的地址结构的时候，选用struct sockaddr_in;
例：

struct sockaddr_in my_addr;

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当调用编程接口函数，且该函数需要从传入地址结构时需要用struct sockaddr进行强制转换
例：

bind(sockfd,（struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(my_addr));

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1.2.5.3 发送数据—sendto函数
ssize_t sendto(int sockfd,const void *buf,size_t nbytes,int flags,const struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
功能：
	向to结构体指针中指定的ip，发送UDP数据
参数：
	sockfd:		套接字
	buf:		发送数据缓存区
	nbytes:		发送数据缓存区的大小
	flags:		一般为0
	to:			指向目的主机地址结构体的指针
	addrlen:	to指向内容的长度
注意：
	通过to和addrlen确定目的地址
	可以发送0长度的UDP数据包
返回值：
	成功：发送数据的字符数
	失败：-1

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1.2.5.4 向“网络调试助手”发送消息

设置网络调试助手（在windows下运行的软件）中的属性
注意：ip地址不能随意设置，必须是当前windows的ip地址

ubuntu下客户段的代码编写：

#include <stdio.h>			//printf
#include <stdlib.h>			//exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>		//socket
#include <netinet/in.h>		//sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>		//htons	inet_addr
#include <unisted.h>		//close
#include <string.h>

int main()
{
	int sockfd;
	if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)) == -1)
	{
		perrpr("fail to socket");
		exit(1);
	}
	printf("sockfd = %d",sockfd);
	
	//第二步：填充服务器网络信息结构体	sockaddr_in（一般不需要，系统会自动分配）
	struct sockaddr_in	severaddr;
	serveraddr.sin_family = AF_INET;	//协议族	AF_INET:ipv4网络协议
	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.78");	//ip地址
	serveraddr.sin_port = htons(8080);
	socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr)
	
	//第三步：发送数据
	char buf[128] = "";
	while(1)
	{
		fgets(buf,128,stdin);
		buf[strlen(buf) - 1] = '\0'; 	//把buf字符串中的\n转化为\0
		if(sendto(sockfd,buf,N,0,(struct sockaddr *)&serveraddr,addrlen));
		{
			perror("fail to sendto");
			exit(1);
		}
	}
	
	//第四步：关闭套接字文件描述符
	close(socketfd);
	
	return 0;
}

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1.2.5.5 绑定bind函数

UDP网络程序想要收取数据需要什么条件？
​ 确定的ip地址
​ 确定的port

怎么完成上面的条件呢？
​ 接收端：使用bind函数，来完成地址结构与socket套接字的绑定，这样ip、port就固定了；
​ 发送端：在sendto函数中指定接收端的ip、port，就可以发送数据了。

由于服务器是被动的，客户端是主动的，所以一般先运行服务器，后运行客户端，所以服务器需要固定自己的信息（ip地址和端口号），这样客户端才可以找到服务器并与之通信，但是客户端一般不需要bind绑定，因为系统会自动给客户端分配ip地址和端口号。

int bind(int sockfd,const struct sockaddr *myaddr,socklen_t addrlen);
功能：
	将本地协议地址与sockfd绑定
参数：
	sockfd:		文件描述符，socket的返回值
	addr:		网络信息结构体
					通用结构体（一般不用）
						struct sockaddr
					网络信息结构体	sockaddr_in
						#include<netinet/in.h>
						struct sockaddr_in
	addrlen:	addr的长度
返回值：
	成功：0
	失败：-1
	

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示例：

#include <stdio.h>			//printf
#include <stdlib.h>			//exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>		//socket
#include <netinet/in.h>		//sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>		//htons	inet_addr
#include <unisted.h>		//close
#include <string.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr,"Useage: %s ip port\n",argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	//第一步：创建套接字
	int sockfd;
	if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))== -1)
	{
		perror("fail to socket");
		exit(1);
	}
	//第二步：将服务器的网络信息结构绑定前进行填充
	struct sockaddr_in serveraddr;
	serveraddr.sin_family = AF_INET;
	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(agrv[1]);
	serveraddr.sinport = htons(atoi(argv[2]));
	
	//第三步：将网络信息结构体与套接字绑定
	if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))==-1){
		perror("fail to bind");
		exit(1);
	}
	
	return 0;
}

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1.2.5.6 接收数据—recvfrom函数
ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t nbytes,int flags, struct sockaddr *from,socklen_t *addrlen);
功能：
	接收UDP数据，并将源地址信息保存在from指向的结构中
参数：
	sockfd:		套接字
	buf:		接收数据缓冲区
	nbytes:		接收数据缓冲区的大小
	flags:		套接字标志(常为0)
					0				阻塞
					MSG_DONTWAIT	非阻塞
	from:		源地址结构体指针，用来保存数据的来源
	addrlen:	from所指内容的长度
注意：
	通过from和addrlen参数存放数据来源信息
	from和addrlen可以为NULL，表示不保存数据来源
返回值：
	成功：接收到的字符数
	失败：-1

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1.2.5.7 接收“网络调试助手”的数据

此时网络调试助手作为客户端，ubuntu的程序作为服务器

设置客户端（网络调试助手）

设置服务器（ubuntu程序）

#include <stdio.h>			//printf
#include <stdlib.h>			//exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>		//socket
#include <netinet/in.h>		//sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>		//htons	inet_addr
#include <unisted.h>		//close
#include <string.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr,"Useage: %s ip port\n",argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	//第一步：创建套接字
	int sockfd;
	if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))== -1)
	{
		perror("fail to socket");
		exit(1);
	}
	//第二步：将服务器的网络信息结构绑定前进行填充
	struct sockaddr_in serveraddr;
	serveraddr.sin_family = AF_INET;
	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(agrv[1]);			//192.168.3.103
	serveraddr.sinport = htons(atoi(argv[2]));					//9999
	
	//第三步：将网络信息结构体与套接字绑定
	if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))==-1){
		perror("fail to bind");
		exit(1);
	}
	
	//接收数据
	char buf[128] = "";
	struct sockaddr_in clientaddr;
	socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
	while(1){
		if(recvfrom(sockfd,128,0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen) == -1){
			perror("fail to recvfrom");
			exit(1);
		}
	}
	
	//打印数据
	//打印客户端的ip地址和端口号
	printf("ip:%s,port:%d\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port));
	//打印接收到数据
	printf("from client:%s\n",buf);
	
	
	return 0;
}

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1.2.6 UDP编程—client、server

其中在网络编程开发中client和server双方既可以有发送数据还可以接收数据；一般认为提供服务的一方为server，而接受服务的另一方为client。

1.2.6.1 C/S架构回顾
1.2.6.2 UDP客户端注意点

1.本地IP、本地端口（我是谁）
2.目的IP、目的端口（发给谁）
3.在客户端的代码中，我们只设置了目的IP、目的端口

客户端的本地ip、本地port是我们调用sendto的时候linux系统底层自动给客户端分配的；分配端口的方式为随机分配，即每次运行系统给的port不一样

//UDP客户端的实现
#include <stdio.h>			//printf
#include <stdlib.h>			//exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>		//socket
#include <netinet/in.h>		//sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>		//htons	inet_addr
#include <unisted.h>		//close
#include <string.h>

int main(int argc,char **argv)
{
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr,"Usage: %s <ip> <port>\n",agrv[0]);
		exit(1);
	}
	
	int sockfd;		//文件描述符
	struct sockaddr_in serveraddr;		//服务器网络信息结构体
	socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);
	
	//第一步：创建套接字
	if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)) < 0){
		perror("fail to socket");
		exit(1);
	}
	
	//客户端自己指定自己的ip地址和端口号，一般不需要，系统会自动分配
	struct sockaddr_in clientaddr;
	clientaddr.sin_family = AF_INET;
	clientaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]); 	//客户端的ip地址
	clientaddr.sin_port = htons(atoi(argv[4]));			//客户端的端口号
	
	//第二步：填充服务器网络信息结构体
	//inet_addr:将点分十进制字符串ip地址转换为整型数据
	//htons:将主机字节序转化为网络字节序
	//atoi：将数字型字符串转化为整型数据
	serveraddr.sin_family = AF_INET;
	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	
	//第三步：进行通信
	char buf[32] = "";
	while(1){
		fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
		buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
		
		if(sendto(sockfd,buf,sizeof(buf),(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
		{
			perror("fail to sendto");
			exit(1);
		}
		
		char text[32] = "";
		if(recvfrom(sockfd,text,sizeof(text),0,(struct sockaddr *)&serveraddr,&addrlen) == -1){
			perror("fail to recvfrom");
			exit(1);
		}
		printf("from server:%s\n",text);
	}
	
	//第四步：关闭文件描述符
	close(sockfd);
	
	return 0;
}

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1.2.6.3 UDP服务器注意点

1.服务器之所以要bind是因为它的本地port需要是固定的，而不是随机的
2.服务器也可以主动地给客户端发送数据
3.客户端也可以用bind，这样客户端的本地端口就是固定的了，但一般不这样做。

//UDP服务器的实现
#include <stdio.h>			//printf
#include <stdlib.h>			//exit
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>		//socket
#include <netinet/in.h>		//sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>		//htons	inet_addr
#include <unisted.h>		//close
#include <string.h>

int main(int argc,char **argv)
{
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr,"Usage: %s <ip> <port>\n",agrv[0]);
		exit(1);
	}
	
	int sockfd;		//文件描述符
	struct sockaddr_in serveraddr;		//服务器网络信息结构体
	socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);
	
	//第一步：创建套接字
	if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)) < 0){
		perror("fail to socket");
		exit(1);
	}
	
	//第二步：填充服务器网络信息结构体
	//inet_addr:将点分十进制字符串ip地址转换为整型数据
	//htons:将主机字节序转化为网络字节序
	//atoi：将数字型字符串转化为整型数据
	serveraddr.sin_family = AF_INET;
	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
	
	//第三步：将套接字与服务器网络信息结构体绑定
	if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) < 0){
		perror("fail to bind");
		exit(1);
	}
	
	while(1){
		//第四步：进行通信
		char text[32] = "";
		struct sockaddr_in clientaddr;
		if(recvfrom(sockfd,text,sizeof(text),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen) == -1){
			perror("fail to recvfrom");
			exit(1);
		}
		printf("[%s - %d]: %s\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port),text);
		
		strcat(text,"*_*");
		
		if(sendto(sockfd,text,sizeof(text),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,addrlen)){
			perror("fail to sendto");
			exit(1);
		}
	}
	
	//第四步：关闭文件描述符
	close(sockfd);
	
	return 0;
}

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