【Linux网络编程】UDP服务器

1. 相关概念

传输层主要应用的协议模型有两种，一种是TCP协议，另外一种则是UDP协议。TCP协议在网络通信中占主导地位，绝大多数的网络通信借助TCP协议完成数据传输。但UDP也是网络通信中不可或缺的重要通信手段。

相较于TCP而言，UDP通信的形式更像是发短信。不需要在数据传输之前建立、维护连接。只专心获取数据就好。省去了三次握手的过程，通信速度可以大大提高，但与之伴随的通信的稳定性和正确率便得不到保证。因此，我们称UDP为“无连接的不可靠报文传递”。

那么与我们熟知的TCP相比，UDP有哪些优点和不足呢？由于无需创建连接，所以UDP开销较小，数据传输速度快，实时性较强。多用于对实时性要求较高的通信场合，如视频会议、电话会议等。但随之也伴随着数据传输不可靠，传输数据的正确率、传输顺序和流量都得不到控制和保证。所以，通常情况下，使用UDP协议进行数据传输，为保证数据的正确性，我们需要在应用层添加辅助校验协议来弥补UDP的不足，以达到数据可靠传输的目的。

与TCP类似的，UDP也有可能出现缓冲区被填满后，再接收数据时丢包的现象。由于它没有TCP滑动窗口的机制，通常采用如下两种方法解决：

服务器应用层设计流量控制，控制发送数据速度。

借助setsockopt函数改变接收缓冲区大小。如：

#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

//eg:
int n = 220x1024
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));

2. C/S模型-UDP

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，保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现。

3. UDP通信server和client流程

server端

创建通信的套接字

1 2	// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

使用通信的套接字和本地的 IP 和端口绑定，IP 和端口需要转换为大端
1
bind();
设置监听（可选）
1
listen();

与客户端进行通信

// 接收数据
recvfrom();
// 发送数据
sendto();

关闭套接字
1
close(fd);

client端

创建通信的套接字

1 2	// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

与客户端进行通信

// 发送数据
sendto();
// 接收数据
recvfrom();

关闭套接字
1
close(fd);

4.相关通信函数

4.1 socket()函数

使用套接字通信函数需要包含头文件 <arpa/inet.h>，包含了这个头文件 <sys/socket.h> 就不用在包含了。

基于 UDP 进行套接字通信，创建套接字的函数还是socket()但是第二个参数的值需要指定为 SOCK_DGRAM，通过该参数指定要创建一个基于报式传输协议的套接字，最后一个参数指定为 0 表示使用报式协议中的 UDP 协议。

1 2	// 创建一个套接字 int socket(int domain, int type, int protocol);

参数:
- domain: 使用的地址族协议
  - AF_INET: 使用 IPv4 格式的 ip 地址
  - AF_INET6: 使用 IPv4 格式的 ip 地址
- type:
  - SOCK_STREAM: 使用流式的传输协议(通常对于TCP协议)
  - SOCK_DGRAM: 使用报式 (报文) 的传输协议(通常对于UDP协议)
- protocol: 一般写 0 即可，使用默认的协议
  - SOCK_STREAM: 流式传输默认使用的是 tcp
  - SOCK_DGRAM: 报式传输默认使用的 udp
返回值:
- 成功：可用于套接字通信的文件描述符
- 失败: -1，设置errno

4.2 recvfrom()函数

1
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3

// 接收数据, 如果没有数据,该函数阻塞
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数
- sockfd: 基于 udp的通信的文件描述符
- buf: 指针指向的地址用来存储接收的数据
- len:buf指针指向的内存的容量，最多能存储多少字节
- flags: 设置套接字属性，一般使用默认属性，指定为 0 即可
- src_addr: 发送数据的一端的地址信息，IP 和端口都存储在这里边，是大端存储的
  - 如果这个参数中的信息对当前业务处理没有用处，可以指定为 NULL, 不保存这些信息
- addrlen: 类似于 accept () 函数的最后一个参数，是一个传入传出参数
  - 传入的是 src_addr 参数指向的内存的大小，传出的也是这块内存的大小
  - 如果 src_addr 参数指定为 NULL, 这个参数也指定为 NULL 即可
返回值：成功返回接收的字节数
- 若失败返回 - 1，设置errorno
- 若返回0，表示对端关闭

4.3 sendto()函数

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// 发送数据函数
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数:
- sockfd: 基于 udp 的通信的文件描述符
- buf: 这个指针指向的内存中存储了要发送的数据
- len: 要发送的数据的实际长度
- flags: 设置套接字属性，一般使用默认属性，指定为 0 即可
- dest_addr: 接收数据的一端对应的地址信息，大端的 IP 和端口
- addrlen: 参数 dest_addr 指向的内存大小
返回值：函数调用成功返回实际发送的字节数，调用失败返回 - 1

5.代码实现

server:

/*************************************************************************
#	> File Name:server.c
#	> Author: Jay
#	> Mail: billysturate@gmail.com
#	> Created Time: Mon 31 Oct 2022 09:14:30 PM CST
 ************************************************************************/

#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int sockfd;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	int i, n;

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
	printf("Accepting connections ...\n");

	while (1) {
		cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
		n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE,0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
		if (n == -1)
			perror("recvfrom error");
		printf("received from %s at PORT %d\n", 
				inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
				ntohs(cliaddr.sin_port));
		for (i = 0; i < n; i++)
			buf[i] = toupper(buf[i]);

		n = sendto(sockfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
		if (n == -1)
			perror("sendto error");
	}
	close(sockfd);
	return 0;
}

client

/*************************************************************************
#	> File Name:client.c
#	> Author: Jay
#	> Mail: billysturate@gmail.com
#	> Created Time: Tue 08 Nov 2022 03:10:51 PM CST
 ************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 9527
int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[MAXLINE];
	int sockfd, n;

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("create failed");
        exit(1);
    }

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "124.221.165.184", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	int i = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    if (i < 0)
    {
        perror("connect failed");
        exit(1);
    }
    int num = 0;
    printf("服务器连接成功\n");
    while (1)
    {
        sprintf(buf, "hello, world, %d\n...", num++);
        printf("%s\n", buf);
        write(sockfd, buf, strlen(buf) + 1);
        recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
        printf("recv msg:%s\n", buf);
        usleep(10000);
    }
    recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
    printf("recv msg:%s\n", buf);	
    printf("over-----------\n");
	close(sockfd);
	return 0;
}

编译运行，结果如下：

服务器端:

客户端1:

客户端2：

==可以看出，使用UDP实现的的服务器，在没有使用IO多路复用等技术时，依然具备并发能力==

6.TCP通信和UDP通信的优缺点比较

TCP：面向连接的，可靠数据包传输。对于不稳定的网络层，采取完全弥补的通信方式。丢包重传。

优点：

稳定

数据流量稳定、速度稳定、顺序稳定

缺点：

传输速度慢。传输效率低。开销大。

使用场景：数据的完整型要求较高，不追求效率。

UDP：无连接的，不可靠的数据报传递。对于不稳定的网络层，采取完全不弥补的通信方式。默认还原网络状况

优点：

传输速度块。传输效率高。开销小。

缺点：

不稳定。

数据流量不稳定。速度不稳当。顺序不稳定，可能会出现后发送的包比先发送的包先到达的情况。

使用场景：对时效性要求较高场合。稳定性其次。