UNIX网络编程——基于UDP协议的网络程序

一、下图是典型的UDP客户端/服务器通讯过程



下面依照通信流程，我们来实现一个UDP回射客户/服务器：

#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);

当套接字处于“已连接”的状态时，才可以使用send，当flags = 0 时 send 与 write 一致。

且 send(sockfd, buf, len, flags); 即 sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);

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);

recv 与 recvfrom 的关系与 send 与 sendto 的关系一致。

recvfrom的最后两个参数类似于accept的最后两个参数：返回时其中套接字地址结构的内容告诉我们是谁发送了数据报（UDP情况下）或是谁发起了连接（TCP情况下）。sendto的最后两个参数类似于connect的最后两个参数：调用时其中套接字地址结构被我们填入数据报将发往（UDP情况下）或与之建立连接（TCP情况下）的协议地址。

服务器代码serv.c：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while (0)

void echo_ser(int sock)
{
char recvbuf[1024] = {0};
struct sockaddr_in peeraddr;
socklen_t peerlen;
int n;

while (1)
{

peerlen = sizeof(peeraddr);
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0,
(struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);
if (n == -1)
{

if (errno == EINTR)
continue;

ERR_EXIT("recvfrom error");
}
else if(n > 0)
{

fputs(recvbuf, stdout);
sendto(sock, recvbuf, n, 0,
(struct sockaddr *)&peeraddr, peerlen);
}
}
close(sock);
}

int main(void)
{
int sock;
if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
ERR_EXIT("socket error");

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
ERR_EXIT("bind error");

echo_ser(sock);

return 0;
}

客户端代码cli.c：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)

void echo_cli(int sock)
{
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

int ret;
char sendbuf[1024] = {0};
char recvbuf[1024] = {0};
while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
{

sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

ret = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);
if (ret == -1)
{
if (errno == EINTR)
continue;
ERR_EXIT("recvfrom");
}

fputs(recvbuf, stdout);
memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
}

close(sock);

}

int main(void)
{
int sock;
if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
ERR_EXIT("socket");

echo_cli(sock);

return 0;
}

编译运行server，在两个终端里各开一个client与server交互，可以看到server具有并发服务的能力。用Ctrl+C关闭server，然后再运行server，此时client还能和server联系上。和前面TCP程序的运行结果相比较，我们可以体会无连接的含义。

二、UDP编程注意点

1、UDP报文可能会丢失、重复
2、UDP报文可能会乱序
3、UDP缺乏流量控制
4、UDP协议数据报文截断
5、recvfrom返回0，不代表连接关闭，因为udp是无连接的。
6、ICMP异步错误
7、UDP connect
8、UDP外出接口的确定

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现，即123点所提到的。

对于第4点，可以写个小程序测试一下：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)

int main(void)
{
int sock;
if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
ERR_EXIT("socket");

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
ERR_EXIT("bind");

sendto(sock, "ABCD", 4, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

char recvbuf[1];
int n;
int i;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
/* udp是报式协议，即若一次性接收的空间小于发来的数据，有可能造成报文截断，
* 但一定没有tcp的粘包问题  */
n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);
if (n == -1)
{
if (errno == EINTR)
continue;
ERR_EXIT("recvfrom");
}
else if(n > 0)
printf("n=%d %c\n", n, recvbuf[0]);
}
return 0;
}

上述程序是自己发送数据给自己，发送了4个字节，但我们只提供1个字节的缓冲区recvbuf，第一次recvfrom 读取一个字节，但接下去循环却读不到剩下的数据了，因为udp 是报式协议，如果一次性接收的缓冲区小于发来的数据，有可能造成报文截断，反观tcp流式协议，可以一次读取一个数据包的一部分，也可以一次性读取多个数据包，但这也正是其会造成粘包问题的来源，所以也说udp 协议不会有粘包问题，因为一次就接收一个消息。输出如下：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
n=1 A

接收了一个字符之后，再次recvfrom 就阻塞了。

对于第5点，如果我们使用sendto 发送的数据大小为0，则发送给对方的是只含有各层协议头部的数据帧，recvfrom 会返回0，但并不代表对方关闭连接，因为udp 本身没有连接的概念。

第678点合起来一起讲，可以看到我们的客户端程序现在没有调用connect，不运行服务器程序，直接运行客户端程序（上面的客户端程序：cli.c），查看现象：

huangcheng@ubuntu:~$ ./cli
huangcheng

当我们在键盘敲入几个字符，sendto只是把Buf的数据拷贝到sock对应的缓冲区中，此时服务器未开启，协议栈返回一个ICMP异步错误，但因为前面没有调用connect“建立”一个连接，则recvfrom时不能收到这个错误而一直阻塞。

现在我们在while 循环的外面添加一句：

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

再次测试一下：

huangcheng@ubuntu:~$ ./cli
huangchengrecvfrom: Connection refused

此时recvfrom 就能接收到这个错误而返回了，并打印错误提示。

其实connect 并没有真正建立一个连接，即没有3次握手过程，只是维护了一种状态，绑定了远程地址，因为如此在调用sendto 时也可以不指定远程地址了，如 sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, NULL, 0); 甚至也可以使用send 函数

send(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);

假设现在客户端有多个ip地址，由connect 或 sendto 函数提供的远程地址的参数，系统会选择一个合适的出口，比如远程ip 是192.168.2.10, 而客户端现在的ip 有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么会自动选择192.168.2.75 这个ip 出去。