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。

echoser_udp.c：

 C++ Code 

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/*************************************************************************     > File Name: echoser_udp.c     > Author: Simba     > Mail: dameng34@163.com     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #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; }

echocli_udp.c：

 C++ Code 

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/*************************************************************************     > File Name: echocli_udp.c     > Author: Simba     > Mail: dameng34@163.com     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #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。udp
协议来说，server与client 的界限更模糊了，只要知道对等方地址(ip和port) 都可以主动发数据。

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

9、太大的UDP包可能出现的问题

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。比如
如果发送端速度较快，而接收端较慢，很可能会产生 ICMP Source Quench Error，丢弃一些数据包。

对于第4点，可以写个小程序测试一下：

 C++ Code 

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#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：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./trunc 
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，查看现象：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf

................

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：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf
recvfrom: 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。

关于第9点。假设现在我们发送一个8192B
的IP数据报，必须分片传输，如果此时目的地址arp 并没有缓存，那么每一片都会发起arp 请求，此时会造成 arp flooding（RFC
建议的最大发送速率是每秒一次）。此时每一片都在等待arp reply，系统实现只会将最后一片发送到目的地（ARP input
queue  was LIFO
），也就是说，其他片都被丢弃了。对等方的IP层当接收到第一个到来的片时（不一定是偏移为0的片）会启动定时器，如果在30～60s
内的超时时间内没有接收到所有的片，则会丢弃所有接收到的片。但需要注意的是不一定会产生 ICMP "time exceeded
during reassembly" error （ICMP
超时错误类型为11，code为0表示是TTL为0超时，code为1表示对方重组分片超时），只有在已经接收到偏移为0的片，即包含udp头部的片时才会产生此种错误，因为这个时候ICMP报文的接收方通过头部（源端口号，如下ICMP超时报文的payload）才知道是哪个进程发送的这个IP报文被丢弃了。实际上有没有产生ICMP超时报文并不是那么重要，因为系统假设TCP层
或者使用UDP的应用程序最终会timeout 导致重传。

参考：

《Linux C 编程一站式学习》

《TCP/IP详解 卷一》

《UNP》