基本套接字编程（7） -- udp篇

1. UDP概述

        UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
UDP协议全称是用户数据报协议 ，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层--传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。
与所熟知的TCP（传输控制协议）协议一样，UDP协议直接位于IP（网际协议）协议的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，UDP和TCP都属于传输层协议。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。

在使用TCP编写的应用程序与使用UDP编写的应用程序之间存在一些本质差异，其原因在于这两个传输层之间的差别：UDP是无连接不可靠的数据报协议，非常不同于TCP提供的面向连接的可靠字节流协议。然而，相比TCP，有些场合确实更适合使用UDP，典型应用程序又：DNS（域名系统）、NFS（网络文件系统）和SNMP（简单网络管理协议）。

2. UDP套接字编程

与面向连接的协议相比，面向无连接协议极为不同。其中一个重要的不同点就是客户端与服务器之间不必建立连接。
对于UDP套接字编程而言，服务器创建套接字后，调用bind()函数将套接字与准备接收数据的接口绑定在一起。和TCP编程不同的是，应用程序不必调用listen()和accept()函数等待客户端的连接。而只需要等待接收数据了。开发UDP套接字应用程序，有两个重要的函数sendto()和recvfrom()。服务器采用recvfrom()来接收来自客户端的数据报，并获得客户端的端地址，之后向客户端发送数据时，采用sendto()函数。

下图为UDP套接字编程流程图：

从图示中可以明显的看出UDP套接字网络编程与TCP的区别。

3. UDP套接字函数

套接字创建socket()、地址绑定bind()函数与TCP套接字编程相同，具体请参考基本套接字编程（1） -- tcp篇，此处仅介绍消息传输函数sendto()与recvfrom()；

3.1 消息发送函数sendto()

函数原型：

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t nbytes , int flags , const struct sockaddr *to , socklen_t addrlen);
		<span style="white-space:pre">								</span>返回值：成功返回写的字节数，出错返回-1

函数说明：
sendto() 用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建好连线的socket,如果利用UDP协议则不需经过连线操作。参数buf指向欲连线的数据内容，参数flags 一般设0，详细描述请参考send()。参数to用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr请参考bind()。参数addrlen为sockaddr的结构长度。
参数：

• 前三个参数sockfd , buff 和 nbytes等同于read 和 write函数的三个参数：描述符、指向写出缓冲区的指针和写字节数；
• falgs参数一般置0；
• to参数指向一个含有数据报接收者的协议地址（如IP地址和端口号）的套接字地址结构，其大小由addrlen指定；

返回值：

若无错误发生，返回所发送数据的总数（请注意这个数字可能小于len中所规定的大小）。否则的话，返回SOCKET_ERROR错误（-1），应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。

• WSANOTINITIALISED：在使用此API之前应首先成功地调用WSAStartup()；
• WSAENETDOWN：WINDOWS套接口实现检测到网络子系统失效；
• WSAEACESS：要求地址为广播地址，但相关标志未能正确设置；
• WSAEINTR：通过一个WSACancelBlockingCall()来取消一个（阻塞的）调用；
• WSAEINPROGRESS：一个阻塞的WINDOWS套接口调用正在运行中；
• WSAEFAULT：buf或to参数不是用户地址空间的一部分，或to参数太小（小于sockaddr结构大小）；
• WSAENETRESET：由于WINDOWS套接口实现放弃了连接，故该连接必需被复位；
• WSAENOBUFS：WINDOWS套接口实现报告一个缓冲区死锁；
• WSAENOTCONN：套接口未被连接；
• WSAENOTSOCK：描述字不是一个套接口；
• WSAEOPNOTSUPP：已设置了MSG_OOB，但套接口非SOCK_STREAM类型；
• WSAESHUTDOWN：套接口已被关闭。一个套接口以1或2的how参数调用shutdown()关闭后，无法再用sned()函数；
• WSAEWOULDBLOCK：套接口被标志为非阻塞， 但该调用会产生阻塞；
• WSAEMSGSIZE：套接口为SOCK_DGRAM类型，且数据报大于WINDOWS套接口实现所支持的最大值；
• WSAECONNABORTED：由于超时或其他原因引起虚电路的中断；
• WSAECONNRESET：虚电路被远端复位；
• WSAEADDRNOTAVAIL：所指地址无法从本地主机获得；
• WSAEAFNOSUPPORT：所指定地址族中地址无法与本套接口一切使用；
• WSAEDESADDRREQ：需要目的地址；
• WSAENETUNREACH：当前无法从本主机联上网络；

3.2 消息接收函数recvfrom()

函数原型：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd , const void *buf , size_t nbytes , int flags , const struct sockaddr *from, socklen_t addrlen);
										返回值：成功返回写的字节数，出错返回-1

函数说明：

recvfrom()用来接收远程主机经指定的socket传来的数据，并把数据传到由参数buf指向的内存空间，参数nbytes为可接收数据的最大长度.参数，flags一般设0，其他数值定义参考recv()，参数from用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr请参考bind()函数，参数fromlen为sockaddr的结构长度。

参数说明：

• 前三个参数sockfd , buff 和 nbytes等同于read 和 write函数的三个参数：描述符、指向写出缓冲区的指针和写字节数；
• falgs参数一般置0；
• from参数指向一个含有数据报接收者的协议地址（如IP地址和端口号）的套接字地址结构，其大小由addrlen指定；

返回值：

同sendto()函数！若无错误发生，返回所接收数据的总数（请注意这个数字可能小于len中所规定的大小）。否则的话，返回SOCKET_ERROR错误（-1），应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。

• WSANOTINITIALISED：在使用此API之前应首先成功地调用WSAStartup()；
• WSAENETDOWN：WINDOWS套接口实现检测到网络子系统失效；
• WSAEACESS：要求地址为广播地址，但相关标志未能正确设置；
• WSAEINTR：通过一个WSACancelBlockingCall()来取消一个（阻塞的）调用；
• WSAEINPROGRESS：一个阻塞的WINDOWS套接口调用正在运行中；
• WSAEFAULT：buf或to参数不是用户地址空间的一部分，或to参数太小（小于sockaddr结构大小）；
• WSAENETRESET：由于WINDOWS套接口实现放弃了连接，故该连接必需被复位；
• WSAENOBUFS：WINDOWS套接口实现报告一个缓冲区死锁；
• WSAENOTCONN：套接口未被连接；
• WSAENOTSOCK：描述字不是一个套接口；
• WSAEOPNOTSUPP：已设置了MSG_OOB，但套接口非SOCK_STREAM类型；
• WSAESHUTDOWN：套接口已被关闭。一个套接口以1或2的how参数调用shutdown()关闭后，无法再用sned()函数；
• WSAEWOULDBLOCK：套接口被标志为非阻塞， 但该调用会产生阻塞；
• WSAEMSGSIZE：套接口为SOCK_DGRAM类型，且数据报大于WINDOWS套接口实现所支持的最大值；
• WSAECONNABORTED：由于超时或其他原因引起虚电路的中断；
• WSAECONNRESET：虚电路被远端复位；
• WSAEADDRNOTAVAIL：所指地址无法从本地主机获得；
• WSAEAFNOSUPPORT：所指定地址族中地址无法与本套接口一切使用；
• WSAEDESADDRREQ：需要目的地址；
• WSAENETUNREACH：当前无法从本主机联上网络；

4. UDP回射程序实例

4.1 server.c

<pre name="code" class="cpp">#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/ip.h>

const int SERV_PORT = 6000;
const int MAXLINE = 2048;
void dg_echo(int sockfd , struct sockaddr *pcliaddr , socklen_t clilen)
{
	int n;
	socklen_t len;
	char mesg[MAXLINE];
	for( ; ;)
	{
		len = clilen;
		if((n = recvfrom(sockfd , mesg , MAXLINE , 0 , pcliaddr , &len))<0)
		{
			perror("recvfrom error");
			exit(1);
		}//if

		if((n = sendto(sockfd , mesg , n , 0 , pcliaddr , len)) < 0)
		{
			perror("sendto error");
			exit(1);
		}//if
	}//for
}
int main(int argc , char **argv)
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in servaddr , cliaddr;
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM , 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(1);
	}//if

	if(bind(sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr)))
	{
		perror("bind error");
		exit(1);
	}//if
	dg_echo(sockfd , (struct sockaddr *)&cliaddr , sizeof(cliaddr));
}

4.2 client.c

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

const int SERV_PORT = 6000;
const int MAXLINE = 2048;

void dg_cli(FILE *fp , int sockfd , const struct sockaddr *pservaddr , socklen_t servlen)
{
	int n;
	char sendline[MAXLINE] , recvline[MAXLINE+1];

	while(fgets(sendline , MAXLINE , fp) != NULL)
	{
		if(sendto(sockfd , sendline , strlen(sendline) , 0 , pservaddr ,  servlen) < 0)
		{
			perror("sendto error");
			exit(1);
		}//if

		if( ( n = recvfrom(sockfd , recvline , MAXLINE , 0 , NULL , NULL)) < 0)
		{
			perror("recvfrom error");
			exit(1);
		}//if
		recvline[n] = '\0';
		fputs(recvline , stdout);
	}//while
}

int main(int argc , char **argv)
{
	int sockfd , t;
	struct sockaddr_in servaddr;
	if(argc != 2)
	{
		perror("usage: udpcli <IPaddress>");
		exit(1);
	}//if
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	if((t = inet_pton(AF_INET , argv[1], &servaddr.sin_addr)) <= 0)
	{
		perror("inet_pton error");
<span style="white-space:pre">	</span>	exit(1);
	}//if

	if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM , 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(1);
	}//if

	dg_cli(stdin , sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr));
	exit(0);
} 

4.3 运行结果

GitHub源码网址