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
huangcheng
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。