网络编程：UDP网路编程

参考：盛延敏：网络编程实战

一、UDP和TCP的不同

• UDP 是一种“数据报”协议，而 TCP 是一种面向连接的“数据流”协议。
• TCP 是一个面向连接的协议，TCP 在 IP 报文的基础上，增加了诸如重传、确认、有序传输、拥塞控制等能力，通信的双方是在一个确定的上下文中工作的。而 UDP 则不同，UDP 没有这样一个确定的上下文，它是一个不可靠的通信协议，没有重传和确认，没有有序控制，也没有拥塞控制。可以简单地理解为，在 IP 报文的基础上，UDP 增加的能力有限。
  UDP 不保证报文的有效传递，不保证报文的有序，也就是说使用 UDP 的时候，我们需要做好丢包、重传、报文组装等工作。

TCP 的发送和接收每次都是在一个上下文中，类似这样的过程：

A 连接上: 接收→发送→接收→发送→…
B 连接上: 接收→发送→接收→发送→…

而 UDP 的每次接收和发送都是一个独立的上下文，类似这样：

接收 A→发送 A→接收 B→发送 B →接收 C→发送 C→ …

二、UDP网络编程

服务器端创建 UDP 套接字之后，绑定到本地端口，调用 recvfrom 函数等待客户端的报文发送；客户端创建套接字之后，调用 sendto 函数往目标地址和端口发送 UDP 报文，然后客户端和服务器端进入互相应答过程。

recvfrom 和 sendto 是 UDP 用来接收和发送报文的两个主要函数：

#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags, 
　　　　　　　　　　struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen); 

• sockfd 是本地创建的套接字描述符
• buff 指向本地的缓存
• nbytes 表示最大接收数据字节。
• flags 是和 I/O 相关的参数，这里还用不到，设置为 0。
• 后面两个参数 from 和 addrlen，实际上是返回对端发送方的地址和端口等信息，和 TCP 非常不一样，TCP 是通过 accept 函数拿到的描述字信息来决定对端的信息。另外 UDP 报文每次接收都会获取对端的信息，也就是说报文和报文之间是没有上下文的。
• 返回值告诉实际接受的字节数。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
                const struct sockaddr *to, socklen_t addrlen); 

• sockfd 是本地创建的套接字描述符
• buff 指向发送的缓存
• nbytes 表示发送字节数
• 第四个参数 flags 依旧设置为 0。
• 后面两个参数 to 和 addrlen，表示发送的对端地址和端口等信息。
• 函数的返回值告诉我们实际发送的字节数。

三、编程实践
udp服务端

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

#define    SERV_PORT      43211
#define    MAXLINE        4096

static int count;

static void recvfrom_int(int signo)
{
    printf("\nrecevied %d datagrams\n",count);
    exit(0);
}

int main(int argc,char*argv[])
{
    int socket_fd;
    struct sockaddr_in server_addr;

    socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

    bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));

    socklen_t client_len;
    char message[MAXLINE];
    count = 0;

    signal(SIGINT,recvfrom_int);

    struct sockaddr_in client_addr;
    client_len = sizeof(client_addr);
    for(;;)
    {
        int n = recvfrom(socket_fd,message,MAXLINE,0,(struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
        message[n] = 0;
        printf("received %d bytes: %s\n",n,message);

        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line,"Hi,%s\n",message);

        sendto(socket_fd,send_line,strlen(send_line),0, (struct sockaddr *) &client_addr, client_len);

        count++;
    }
}

udp客户端

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

#define    SERV_PORT      43211
#define    MAXLINE        4096

int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        perror("Usage:udpclient <IPaddress>");
        return -1;
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);

    struct sockaddr *reply_addr;
    reply_addr = malloc(server_len);

    char send_line[MAXLINE],recv_line[MAXLINE+1];
    socklen_t len;
    int n;

    while(fgets(send_line,MAXLINE,stdin) != NULL)
    {
        int i = strlen(send_line);
        if(send_line[i-1] == '\n')
        {
            send_line[i-1] = 0;
        }

        printf("now sending %s \n",send_line);
        size_t rt = sendto(socket_fd,send_line,strlen(send_line),0,(struct sockaddr *)&server_addr,server_len);
        if(rt < 0)
        {
            perror("send faild");
        }
        printf("send bytes %zu \n",rt);

        len = 0;
        n = recvfrom(socket_fd,recv_line,MAXLINE,0,reply_addr,&len);
        if(n < 0)
        {
            perror("recvfrom failed");
        }
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line,stdout);
        fputs("\n",stdout);
    }

    exit(0);
    
}

效果：
1)若只运行客户端，程序一直会阻塞在recvfrom上

2）先开服务端，再开客户端


3) 开服务端，开两个客户端
服务端：

客户端1：

客户端2：

两个客户端发送的报文，依次都被服务端收到，并且客户端也可以收到服务端处理之后的报文。如果我们此时把服务器端进程杀死，就可以看到信号函数在进程退出之前，打印出服务器端接收到的报文个数。
再重启服务器端进程，并使用客户端 1 和客户端 2 继续发送新的报文，这也体现了UDP 报文的“无连接”的特点，可以在 UDP 服务器重启之后，继续进行报文的发送，这就是 UDP 报文“无上下文”的最好说明。(但在服务端进程被杀死后，此时就是1）状态了，若此时在任意客户端发送数据，程序便会一直阻塞在recvfrom上)

注：
详解inet_pton()和inet_ntop()函数