LV06-03-网络编程-05-UDP协议编程

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本文主要是网络编程——UDP协议下的socket编程的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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STM32开发板 正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)
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一、UDP协议简介

1. 简介

UDP 是 User Datagram Protocol 的简称，中文名是用户数据报协议，是一种无连接、不可靠的协议，同样它也是工作在传顺层。它只是简单地实现从一端主机到另一端主机的数据传输功能，这些数据通过 IP 层发送，在网络中传输，到达目标主机的顺序是无法预知的，因此需要应用程序对这些数据进行排序处理，这就带来了很大的不方便，此外， UDP 协议更没有流量控制、拥塞控制等功能，在发送的一端， UDP 只是把上层应用的数据封装到 UDP 报文中，在差错检测方面，仅仅是对数据进行了简单的校验，然后将其封装到 IP 数据报中发送出去。而在接收端，无论是否收到数据，它都不会产生一个应答发送给源主机，并且如果接收到数据发送校验错误，那么接收端就会丢弃该UDP 报文，也不会告诉源主机，这样子传输的数据是无法保障其准确性的，如果想要其准确性，那么就需要应用程序来保障了。

2. UDP协议的特点

（1）无连接、不可靠；

（2）尽可能提供交付数据服务，出现差错直接丢弃，无反馈；

（3）面向报文，发送方的 UDP 拿到上层数据直接添加个 UDP 首部，然后进行校验后就递交给 IP 层，而接收的一方在接收到 UDP 报文后简单进行校验，然后直接去除数据递交给上层应用；

（4）速度快，因为 UDP 协议没有 TCP 协议的握手、确认、窗口、 重传、拥塞控制等机制， UDP 是一个无状态的传输协议，所以它在传递数据时非常快，即使在网络拥塞的时候 UDP 也不会降低发送的数据。

UDP 虽然有很多缺点，但也有自己的优点，所以它也有很多的应用场合，因为在如今的网络环境下，UDP 协议传输出现错误的概率是很小的，并且它的实时性是非常好，常用于实时视频的传输，比如直播、网络电话等，因为即使是出现了数据丢失的情况，导致视频卡帧，这也不是什么大不了的事情，所以， UDP协议还是会被应用与对传输速度有要求，并且可以容忍出现差错的数据传输中。

3. TCP与UDP的对比

首先，我们先再次了解一下这两种协议。

TCP 是面向连接的传输协议，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次握手，中间传输数据时也要回复 ACK 包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

UDP 是无连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要 ACK 包确认。UDP 传输数据就好像我们邮寄包裹，邮寄前需要填好寄件人和收件人地址，之后送到快递公司即可，但包裹是否正确送达、是否损坏我们无法得知，也无法保证。UDP 协议也是如此，它只管把数据包发送到网络，然后就不管了，如果数据丢失或损坏，发送端是无法知道的，当然也不会重发。

既然如此，这点上看，TCP 应该是更加优质的传输协议嘛？其实可能不然。

如果只考虑可靠性，TCP 的确比 UDP 好。但 UDP 在结构上比 TCP 更加简洁，不会发送 ACK 的应答消息，也不会给数据包分配 seq 序号，所以 UDP 的传输效率有时会比 TCP 高出很多，编程中实现 UDP 也比 TCP 简单。

UDP 的可靠性虽然比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁，在更加重视传输效率而非可靠性的情况下，UDP 是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信，就非常适合采用 UDP 协议；通信时数据必须高效传输才不会产生卡顿现象，用户体验才更加流畅，如果丢失几个数据包，视频画面可能会出现雪花，音频可能会夹带一些杂音，这些很多情况下其实都是可以忽略的。

与 UDP 相比，TCP 的生命在于流控制，这保证了数据传输的正确性。

TCP 的速度无法超越 UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近 UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

二、UDP编程流程

1. 一些说明

  • （1）UDP中的服务器端和客户端没有连接

UDP 不像 TCP，无需在连接状态下交换数据，因此基于 UDP 的服务器端和客户端也无需经过连接过程。也就是说，不必调用 listen() 和 accept() 函数。UDP 中只有创建套接字的过程和数据交换的过程。

  • （2）UDP服务器端和客户端均只需1个套接字

TCP 中，套接字是一对一的关系。如要向 10 个客户端提供服务，那么除了负责监听的套接字外，还需要创建 10 套接字。但在 UDP 中，不管是服务器端还是客户端都只需要 1 个套接字。就像之前邮寄包裹的例子，负责邮寄包裹的快递公司可以比喻为 UDP 套接字，只要有 1 个快递公司，就可以通过它向任意地址邮寄包裹。同样，只需 1 个UDP套接字就可以向任意主机传送数据。

  • （3）基于UDP的接收和发送函数

创建好 TCP 套接字后，传输数据时无需再添加地址信息，因为 TCP 套接字将保持与对方套接字的连接。也就是说，TCP 中的用于数据传输的socket描述符是知道目标IP信息和端口的。但 UDP 套接字不会保持连接状态，每次传输数据都要添加目标地址信息，这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。

所以，我们在UDP编程中会使用到recvfrom()/sendto()这一组函数，这两个函数说明可以看这篇笔记：《LV06-07-网络编程-socket》

2. UDP编程步骤

使用UDP协议编程的一般步骤如下：

（1）创建 UDP协议的 socket套接字，用socket()函数，注意套接字类型选择SOCK_DGRAM。

（2）用sendto() 函数往指定的IP发送信息。

（3）关闭socket套接字。

（1）创建UDP协议的 socket套接字，用socket()函数，注意套接字类型选择SOCK_DGRAM。

（2）设置socket的属性，用setsockopt()函数（可选）。

（3）socket绑定包含 IP地址信息和端口号的 struct sockaddr_in(IPv4)结构体，用bind()函数。

（4）循环接收消息，用recvfrom()函数。

（5）关闭socket套接字。

3. UDP编程流程图

基本流程图如下：

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三、UDP循环服务器

1. 服务器模型

循环服务器程序模型如下：

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socket(...);
bind(...);
while(1)
{
	recvfrom(...);
	process(...);
	sendto(...);
}

2.使用实例

【注意】

（1）socket() 函数第二个参数要换成SOCK_DGRAM，以指明使用 UDP 协议。

（2）为方便更换服务器IP以便于测试，这里还是使用绑定0.0.0.0这种形式，这其实与INADDR_ANY 效果是一样的。个人感觉这样更灵活一些。

2.1server服务器端

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/** =====================================================
 * Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
 * File name: server.c
 * Author   : fanhua
 * Description: server服务器端——UDP
 * ======================================================
 */
/* 头文件 */
#include <stdio.h>      /* perror */
#include <stdlib.h>     /* exit atoi */
#include <errno.h>      /* errno号 */
#include <sys/types.h>  /* socket           bind listen recvfrom sendto */
#include <sys/socket.h> /* socket inet_addr bind listen recvfrom sendto */
#include <strings.h>    /* bzero */
#include <arpa/inet.h>  /* htons  inet_addr inet_pton */
#include <netinet/in.h> /* ntohs  inet_addr inet_ntop*/
#include <unistd.h>     /* close */
#include <string.h>     /* strlen strcat*/

void usage(char *str); /* 提示信息打印函数 */

int main(int argc, char *argv[])
{
	/* 参数判断及端口号处理 */
	int port = -1;
	if (argc != 3)/* 参数数量不对时打印提示信息 */
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	port = atoi(argv[2]);/* 字符串转数字 */
	if (port < 5000)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	/* 1.创建套接字，得到socket描述符 */
	int socket_fd = -1; /* 接收服务器端socket描述符 */
	if((socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)/* SOCK_STREAM,使用UDP协议 */
	{
		perror ("socket");
		exit(-1);
	}
	/* 允许绑定地址快速重用 */
	int b_reuse = 1;
	setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int));
	/* 2.将套接字与指定端口号和IP进行绑定 */
	/* 2.1填充struct sockaddr_in结构体变量 */
	struct sockaddr_in sin;
	bzero (&sin, sizeof (sin));  /* 将内存块（字符串）的前n个字节清零 */
	sin.sin_family = AF_INET;    /* 协议族, IPv4 */
	sin.sin_port = htons(port);  /* 网络字节序的端口号 */
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], (void *)&sin.sin_addr) != 1)/* 填充IP地址,INADDR_ANY表示允许监听任意IP,但是它其实是(in_addr_t) 0x00000000 */
	{
		perror ("inet_pton");
		exit(-1);
	}
	/* 2.2绑定 */
	if(bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) < 0)
	{
		perror("bind");
		exit(-1);
	}
	printf ("Server starting....OK!\n");
	/* 3.数据读写 */
	/* 3.1客户端IP地址及端口号获取的相关变量 */
	struct sockaddr_in cin;          /* 用于存储成功连接的客户端的IP信息 */
	socklen_t addrlen = sizeof(cin);
	char ipv4_addr[16];
	/* 3.2数据读写相关变量 */
	char buf[BUFSIZ]; /* BUFSIZ是在stdio.h中定义的一个宏，值为8192 */
	char replay[BUFSIZ];
	while(1)
	{
		/* 4.接收来自客户端的数据 */
		bzero(buf, BUFSIZ);
		bzero(replay, BUFSIZ);
		if(recvfrom(socket_fd, buf, BUFSIZ-1, 0,(struct sockaddr *)&cin, &addrlen ) < 0)
		{
			perror("recvfrom");
			continue;
		}
		/* 5.打印客户端的IP信息 */
		if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin)))
		{
			perror ("inet_ntop");
			exit(-1);
		}
		printf("Recived from(%s:%d), data:%s", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port), buf);
		/* 6.对客户端做出应答 */
		strcat(replay, buf);
		if(sendto(socket_fd, replay, strlen(replay), 0, (struct sockaddr *)&cin, addrlen) < 0)
		{
			perror("sendto");
			continue;
		}
		/*7.判断是否需要退出 */
		if(!strncasecmp(buf, "quit", strlen("quit")))  	//用户输入了quit字符
		{
			printf ("Client(%s:%d) is exiting!\n", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port));
			// break; /* 防止有一个客户端的退出而导致服务器端退出 */
		}
	}
	/* 8.关闭文件描述符 */
	close(socket_fd);

	return 0;
}

/**
 * @Function: usage
 * @Description: 用户提示信息打印函数
 * @param str : 当前应用程序命令字符串，一般是./app
 * @return  : none
 */
void usage(char *str)
{
	printf ("\n%s serv_ip serv_port", str);
	printf ("\n\t serv_ip: server ip address");
	printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n");
	printf ("\n\t Attention: The IP address must be the IP address of the local nic or 0.0.0.0 \n\n");
}

2.2 client客户端

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/** =====================================================
 * Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
 * File name: cilent.c
 * Author   : fanhua
 * Description: client客户端程序——UDP
 * ======================================================
 */
/* 头文件 */
#include <stdio.h>     /* perror fgets */
#include <stdlib.h>    /* exit atoi*/
#include <errno.h>     /* errno号 */
#include <unistd.h>    /* write close */

#include <sys/types.h> /* socket           recvfrom sendto */
#include <sys/socket.h>/* socket inet_addr recvfrom sendto */
#include <netinet/in.h>/* inet_addr */
#include <arpa/inet.h> /* inet_addr inet_pton htonl*/

#include <string.h>   /* bzero strncasecmp strlen */

void usage(char *str); /* 提示信息打印函数 */

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	/* 参数判断及端口号处理 */
	int port = -1;
	int portClient = -1;
	if (argc != 4)/* 参数数量不对时打印提示信息 */
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}
	port = atoi(argv[2]);/* 字符串转数字 */
	portClient = atoi(argv[3]);
	if (port < 5000 || portClient < 5000 || (port == portClient))
	{
		usage(argv[0]);
		exit(-1);
	}

	/* 1.打开套接字，得到套接字描述符 */
	int socket_fd = -1; /* 接收服务器端socket描述符 */
	if ((socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) /* SOCK_DGRAM 表示UDP协议 */
	{
		perror ("socket");
		exit(-1);
	}
	/* 允许绑定地址快速重用 */
	int b_reuse = 1;
	setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int));
	/* 2.连接服务器 */
	/* 2.1填充struct sockaddr_in结构体变量 */
	struct sockaddr_in sin;
	bzero (&sin, sizeof (sin)); /* 将内存块（字符串）的前n个字节清零 */
	sin.sin_family = AF_INET;   /* 协议族 */
	sin.sin_port = htons(port); /* 网络字节序的端口号 */
	/* 客户端的 argv[1] 需要与系统的IP一致 */
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], (void *)&sin.sin_addr) != 1)/* IP地址 */
	{
		perror ("inet_pton");
		exit(-1);
	}
	/* 绑定固定的IP 和 端口号 */
	struct sockaddr_in sinClient;
	bzero(&sinClient, sizeof (sinClient)); /* 将内存块（字符串）的前n个字节清零 */
	sinClient.sin_family = AF_INET;   /* 协议族 */
	sinClient.sin_port = htons(portClient); /* 网络字节序的端口号 */
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], (void *)&sinClient.sin_addr) != 1)/* IP地址 */
	{
		perror ("inet_pton");
		exit(-1);
	}
	if(bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&sinClient, sizeof(sinClient)) < 0)
	{
		perror("bind");
		exit(-1);
	}

	printf("Client staring...OK!\n");
	/* 3.数据读写 */
	struct sockaddr_in cin;
	char ipv4_addr[16];
	socklen_t addrlen1 = sizeof(sin);
	socklen_t addrlen2 = sizeof(cin);
	char buf[BUFSIZ]; /* BUFSIZ是在stdio.h中定义的一个宏，值为8192 */
	char replay[BUFSIZ];
	while (1)
	{
		/* 3.1标准输入获取发送数据 */
		bzero (buf, BUFSIZ);
		bzero (replay, BUFSIZ);
		printf(">");
		if (fgets(buf, BUFSIZ - 1, stdin) == NULL)
		{
			perror("fgets");
			continue;
		}
		/* 3.2发送数据 */
		if(sendto(socket_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&sin, addrlen1) < 0)
		{
			perror("sendto");
			continue;
		}
		/* 3.3接收服务器的回馈数据 */
		if(recvfrom(socket_fd, replay, BUFSIZ-1, 0,(struct sockaddr *)&cin, &addrlen2 ) < 0)
		{
			perror("recvfrom");
			continue;
		}
		if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin)))
		{
			perror ("inet_ntop");
			exit (1);
		}
		printf("server(%s:%d) replay:%s\n", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port), replay);
		/* 3.3判断是否需要退出 */
		if (!strncasecmp(buf, "quit", strlen ("quit")))  	//用户输入了quit字符
		{
			printf ("Client is exiting!\n");
			break;
		}
	}
	/* 4.关闭文件描述符 */
	close(socket_fd);

	return 0;
}

/**
 * @Function: usage
 * @Description: 用户提示信息打印函数
 * @param str : 当前应用程序命令字符串，一般是./app
 * @return  : none
 */
void usage(char *str)
{
	printf ("\n%s serv_ip serv_port", str);
	printf ("\n\t serv_ip: server ip address");
	printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n");
	printf ("\n\t client_port: client portClient(>5000 && !=port )\n\n");
}

2.3 Makefile

由于需要生成两个可执行程序，自己输命令有些繁琐，这里使用make来进行。

点击查看 Makefile 文件 
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## =====================================================
# Copyright © hk. 2022-2022. All rights reserved.
# File name: Makefile
# Author   : fanhua
# Description: Makefile文件
## ======================================================
# 
CC = gcc

DEBUG = -g -O2 -Wall
CFLAGS += $(DEBUG)

# 所有.c文件去掉后缀
TARGET_LIST = ${patsubst %.c, %, ${wildcard *.c}} 
all : $(TARGET_LIST)

%.o : %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

.PHONY: all clean clean_o clean_out
clean : clean_o clean_out
	@rm -vf $(TARGET_LIST) 
	
clean_o :
	@rm -vf *.o
	
clean_out :
	@rm -vf *.out

2.4 测试结果

我们执行以下命令编译链接程序，生成两个可执行文件：

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make

然后会有如下提示，并生成两个可执行文件吗，分别为服务器端程序server和客户端程序client：

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gcc -g -O2 -Wall    client.c   -o client
gcc -g -O2 -Wall    server.c   -o server

对于服务器端，我们执行以下命令启动服务器进程：

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./server 0.0.0.0 5001 # 允许监听所有网卡IP及端口

对于客户端，我们执行以下命令启动客户端进程：

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./client 192.168.10.101 5001 5002 # 连接到本地一块网卡的IP，并设置客户端向外发送数据的端口为5003
./client 192.168.10.101 5001 5003 # 连接到本地一块网卡的IP，并设置客户端向外发送数据的端口为5003

然后再发送一些数据，我们就会看到如下现象：

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