四：基于UDP的服务端/客户端_udp 服务端

1 理解UDP

在4层TCP/UDP模型中的传输层，有TCP和UDP两种数据传输方式。

1.1 UDP套接字的特点

• 不可靠
• 结构简单，性能高，实现简单
• 缺少流控制机制（区分TCP和UDP最重要的标志，TCP的生命在于流控制）

1.2 UDP内部工作原理

与TCP不同UDP不会进行流控制。

IP的作用就是让离开主机B的数据包准确传递到主机A，但是把UDP包最终交给主机A的某一UDP套接字的过程是由UDP完成的。所以，UDP最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的UDP套接字。

1.3 UDP的高效使用

首先我们要知道，UDP也是具有一定的可靠性。
网络传输特性导致信息丢失频发，若要传递压缩文件(发送一万个数据包，丢失一个就会出问题)，则必须使用TCP。
但是对于多媒体数据而言，丢失一部分，也只会引起短暂的画面抖动或细微杂音，因为要提供实时服务，所以速度非常重要，所以流控制显得有些多余。但是UDP并非每次都快于TCP，TCP比UDP慢的原因通常有两点。

• 收发数据前后进行的连接设置及清除过程
• 收发数据过程中为保证可靠性而添加的流控制

如果收发数据量小但需要频繁连接时，UDP比TDP更高效。

2 实现基于UDP的服务端/客户端

2.1 UDP中的服务端和客户端没有连接

UDP无需经过连接过程，即不必调用TCP连接过程中的listen和accpet函数。UDP只有创建套接字的过程和数据交换过程.

2.2 UDP服务端和客户端均只需一个套接字

TCP中，套接字之间连接是点对点的关系，即要向10个客户端提供服务，服务端要有10个套接字。UDP中，不管是客户端还是服务端都只需要1个套接字，就能和多台主机通信。

2.3 基于UDP的数据IO函数

UDP套接字不会保持连接状态，因此每次传输数据都要添加目标地址信息。

#include <sys/socket.h>

/**
* @param[1] : sock 用于传输数据的UDP套接字文件描述符
* @param[2] : buff 保存待传输数据的缓冲地址值
* @param[3] : nbytes 待传输数据的长度
* @param[4] : flags 可选参数项，若没有则传递0
* @param[5] : to 存有目标地址信息的sockaddr结构体变量的地址值
* @param[6] : addrlen 地址值结构体变量的长度
*/
ssize_t sendto(int sock, void* buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr* to, socklen_t addrlen);
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

UDP数据的发送端并不固定，因此该函数定义为可接受发送端信息的形式。即同时返回UDP数据包中的发送端信息。

#include <sys/socket.h>
/**
* @param[1] : sock用于接收数据的UDP套接字文件描述符
* @param[2] : buff保存接收数据的缓冲地址值
* @param[3] : nbytes 可接收的最大字节数，故无法超过参数buff所指的缓冲区大小
* @param[4] : flags 可选参数想，没有则传0
* @param[5] : from 存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址值
* @param[6] : addrlen 保存参数from的结构体变量长度的变量地址值
*/
ssize_t recvfrom(int sock, void* buff, size_t nbytes, int flags, 
							struct sockaddr* from, socklen_t* addrlen);
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

2.4 基于UDP的回声服务端和客户端

• uecho_server.c

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int serv_sock;
	char message[BUF_SIZE];
	int str_len;
	socklen_t clnt_adr_sz;
	
	struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
	if(argc!=2){
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if(serv_sock==-1)
		error_handling("UDP socket creation error");
	
	memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
	serv_adr.sin_family=AF_INET;
	serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
	
	if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)
		error_handling("bind() error");

	while(1) 
	{
		clnt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);
		//利用此获取数据传输段的地址，为接下来逆向重传做准备
		str_len=recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, 
								(struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
		sendto(serv_sock, message, str_len, 0, 
								(struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
	}	
	close(serv_sock);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55

• uecho_client.c

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int sock;
	char message[BUF_SIZE];
	int str_len;
	socklen_t adr_sz;
	
	struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
	if(argc!=3){
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);   
	if(sock==-1)
		error_handling("socket() error");
	
	memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
	serv_adr.sin_family=AF_INET;
	serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
	serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
	
	while(1)
	{
		fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
		fgets(message, sizeof(message), stdin);     
		if(!strcmp(message,"q\n") || !strcmp(message,"Q\n"))	
			break;
		
		sendto(sock, message, strlen(message), 0, 
					(struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
		adr_sz=sizeof(from_adr);
		str_len=recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, 
					(struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);

		message[str_len]=0;
		printf("Message from server: %s", message);
	}	
	close(sock);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58

2.5 客户端套接字地址分配问题

UDP程序中，调用sendto函数传输数据前应该完成套接字的地址分配工作，因此调用bind函数。注：bing不区分TCP和UDP，即在UDP程序中也可以调用bind函数。另外，如果调用sendto函数时发现尚未分配地址信息，则在首次调用sendto函数是给相应套接字自动分配ip和端口，且一直保留到程序结束。所以使用bind与否的区别仅仅是端口是手动分配的还是随机分配的。

3 UDP的数据传输特性和调用connect函数

本节验证UDP数据传输中存在数据边界

3.1 存在数据边界的UDP套接字

前边说：TCP数据没有数据边界，即“数据传输过程中调用IO函数的次数没有意义”。
相反，UDP是具有数据边界的协议，传输中调用IO函数地次数非常重要，发和收的次数必须一致，才能完成通信。又因为一个UDP包可称为一个完整数据，因此被称为数据报。
先看代码效果

• bound_host1.c

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

const int kBufferSize = 30;

void ErrorHandling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    char message[kBufferSize];
    struct sockaddr_in my_addr, your_addr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len;

    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1) {
        ErrorHandling("socket error");
    }

    memset(&my_addr, 0, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    my_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(sock, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)) == -1) {
        ErrorHandling("bind error");
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        sleep(5);
        adr_sz = sizeof(your_addr);
        str_len = recvfrom(sock, message, kBufferSize, 0, (struct sockaddr*)&your_addr, adr_sz);

        printf("Message %d : %s \n", i+1, message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49

• bound_host2.c

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

const int kBufferSize = 30;

void ErrorHandling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    struct sockaddr_in your_addr;
    socklen_t your_adr_sz;
    int str_len;

    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <TCP><port>\n", argv[0]);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1) {
        ErrorHandling("socket error");
    }

    memset(&your_addr, 0, sizeof(your_addr));
    your_addr.sin_family = AF_INET;
    your_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    your_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    char msg1[] = "hello word1!";
    char msg2[] = "hello word2!";
    char msg3[] = "hello word3!";

    your_adr_sz = sizeof(your_addr);

    sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0, (struct sockaddr*)&your_addr, your_adr_sz);
    sendto(sock, msg1, sizeof(msg2), 0, (struct sockaddr*)&your_addr, your_adr_sz);
    sendto(sock, msg1, sizeof(msg3), 0, (struct sockaddr*)&your_addr, your_adr_sz);

    close(sock);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47

3.2 已连接与未连接的UDP套接字区别

UDP不需要提前建立连接，所以套接字中无需注册目标地址信息，所以可以向多个目标发送数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，反之，注册了目标地址的套接字成为连接connected套接字。显然UDP套接字默认属于未连接套接字，但是如果要与同一主机长时间通信，将UDP套接字变为已连接会提高效率。将减少向udp套接字注册目标ip和端口，删除udp套接字中注册的目标地址信息的时间。大大提高性能。

而且连接之后，还可以调用write和read函数进行通信

• 使用已连接套接字通信demo

//uecho_con_client.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

const int kBufferSize = 30;

void ErrorHandling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    char message[kBufferSize];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz; //多余

    struct sockaddr_in serv_addr, from_addr;
    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s 《ip》<port>\n", argv[0]);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1) {
        ErrorHandling("socket error");
    }

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, kBufferSize, stdin);

        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n")) {
            break;
        }

        write(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

        str_len = read(sock, message, sizeof(message) -1 );
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55

4 基于windows的实现

https://gitee.com/pipe-man/tcp_ip_socket/tree/master/%E6%BA%90%E4%BB%A3%E7%A0%81/Chapter6%20source