参考
- 《TCP/IP网络编程》
基于UDP的服务器端和客户端
UDP套接字的特点
UDP的特性与信件完全相符。信件的特点使我们无法确认对方是否收到，另外，邮寄过程中也可能发生信件丢失的情况。即信件是一种不可靠的传输方式，类似地，UDP提供的也是不可靠的数据传输服务
UDP与TCP
-
如果只考虑可靠性，TCP比UDP好。UDP的可靠性虽比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁 -
UDP的性能有时会比TCP高很多，编程中实现UDP也比TCP简单 -
UDP在结构上比TCP更简洁。UDP不会发送类似ACK的应答消息，也不会像SEQ那样给数据包分配序号 -
为了提供可靠的数据传输服务，TCP在不可靠的IP层进行流控制，TCP的生命在于流控制，而UDP就缺少这种流控制机制
UDP内部工作原理
假设主机B向主机A传输数据，IP的作用就是让离开主机B的UDP数据包准确传递到主机A。但把UDP包最终交给主机A的某一UDP套接字的过程则是由UDP完成的。UDP最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的UDP套接字
UDP的高效使用
当传输压缩文件等重要文件时，必须使用TCP；但对于多媒体数据而言，因为需要提供实时服务，速度就成为非常重要的因素，此时需要考虑UDP，丢失一部分也没有太大问题，只会引起短暂的画面抖动，或出现细微的杂音
TCP比UDP慢的原因：
-
收发数据前后进行的连接设置及清除过程 -
收发数据过程中为保证可靠性而添加的流控制
如果收发的数据量小但需要频繁连接时，UDP比TCP更高效
实现基于UDP的服务器端/客户端
UDP服务器端/客户端不像TCP那样在连接状态下交换数据，因此与TCP不同，无需经过连接过程。即不必调用TCP连接过程中调用的listen函数和accept函数。UDP中只有创建套接字的过程和数据交换的过程
TCP中，套接字之间应该是一对一的关系。若要向10个客户端提供服务，则除了守门的服务器套接字外，还需要10个服务器端套接字。但在UDP中，不管是服务器端还是客户端都只要1个套接字。只需要1个套接字就可以向任意主机传输数据
基于UDP的数据I/O函数
TCP套接字知道目标地址信息，但UDP套接字不会保持连接状态，因此每次传输数据都要添加目标地址信息
输出函数
与之前的TCP传输函数的最大区别在于，此函数需要向它传递目标地址信息
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
成功时返回传输的字节数，失败时返回-1。sock：用于传输数据的UDP套接字的文件描述符；buff：保存传输数据的缓冲地址值；nbytes：待传输的数据长度，以字节为单位；flags：可选项参数，若没有则传递0；to：存有目标地址信息的sockaddr结构体变量的地址值；addrlen：传递给参数to的地址值结构体变量长度
接收函数
UDP数据的发送端并不固定，因此该函数定义为可接收发送端信息的形式
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t addrlen);
成功时返回接收的字节数，失败时返回-1。sock：用于接收数据的UDP套接字文件描述符；buff：保存接收数据的缓冲地址值；nbytes：可接收的最大字节数，故无法超过参数buff所指的缓冲大小；flags：可选项参数，若没有则传入0；from：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址值；addrlen：保存参数from结构体变量长度的变量地址值
基于UDP的回声服务器端/客户端
UDP不存在请求连接和受理过程，因此在某种意义上无法明确区分服务器端和客户端。只是因为提供服务而称为服务器端
服务器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len;
socklen_t clnt_adr_sz;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (serv_sock == -1)
{
error_handling("UDP socket creation error");
}
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
{
error_handling("bind() error");
}
while (1)
{
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
sendto(serv_sock, message, str_len, 0, (struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
}
close(serv_sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
int sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len;
socket_t adr_sz;
struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
{
error_handling("socket() error");
}
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
while (1)
{
fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
{
break;
}
sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
adr_sz = sizeof(from_adr);
str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);
message[str_len] = 0;
printf("Message from server: %s", message);
}
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
UDP客户端套接字的地址分配
UDP程序中，调用sendto函数传输数据前应完成对套接字的地址分配工作，因此调用bind函数，但bind函数不区分TCP和UDP，即在UDP程序中也可以调用。另外，如果调用sendto函数时发现尚未分配地址信息，则在首次调用sendto函数时自动分配IP和端口。而且此时分配的地址一直保留到程序结束为止，因此也可用来与其他UDP套接字进行数据交换
综上，调用sendto函数时自动分配IP和端口号，因此UDP客户端中通常无需额外的地址分配过程
验证UDP传输的数据边界
UDP是具有数据边界的协议，传输中调用I/O函数的次数非常重要。输入函数的调用次数应和输出函数的调用次数完全一致
下面验证，模拟host2调用3次recvfrom()，host1调用3次sendto()
bound_host1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
int sock;
char message[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
socklen_t adr_sz;
int str_len, i;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
{
error_handling("socket() error");
}
memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
my_adr.sin_family = AF_INET;
my_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
my_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(sock, (struct sockaddr*)&my_adr, sizeof(my_adr)) == -1)
{
error_handling("bind() error");
}
for (i = 0; i < 3; i++)
{
sleep(5);
adr_sz = sizeof(your_adr);
str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&your_adr, &adr_sz);
printf("Message %d: %s \n", i + 1, message);
}
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
bound_host2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
int sock;
char msg1[] = "Hi!";
char msg2[] = "I'm another UDP host!";
char msg3[] = "Nice to meet you";
struct sockaddr_in your_adr;
socklen_t your_adr_sz;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
{
error_handling("socket() error");
}
memset(&your_adr, 0, sizeof(your_adr));
your_adr.sin_family = AF_INET;
your_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
your_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
sendto(sock, msg2, sizeof(msg2), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
sendto(sock, msg3, sizeof(msg3), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
host1调用recvfrom()前间隔了5秒，因此，在此之前host2已经调用了3次sendto函数。也就是说，host1调用recvfrom()前，数据已经都传输到了host1。如果是TCP程序，1次recvfrom()即可获取全部数据，但UDP则需要3次recvfrom()
已连接（connected）UDP套接字
UDP套接字中无需注册待传输数据的目标IP和端口号，因此通过sendto()传输数据的过程大致可分为以下3个阶段：
-
向UDP套接字注册目标IP和端口号 -
传输数据 -
删除UDP套接字中注册的目标地址信息
每次调用sendto()时重复上述过程，每次都变更目标地址，因此可以重复利用同一UDP套接字向不同目标传输数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，反之，注册了目标地址的套接字称为连接connected套接字。显然，UDP套接字默认属于未连接套接字
但要与同一主机长时间通信，将UDP套接字变成已连接套接字会提高效率
创建已连接UDP套接字
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = ...
adr.sin_port = ...
connect(sock, (struct sockaddr*)&adr, sizeof(adr));
针对UDP套接字调用connect()并不意味着要与对方UDP套接字连接，这只是向UDP套接字注册目标IP和端口信息
之后，每次调用sento()时只需传输数据，因为已经指定了收发对象，所以不仅可以使用sendto、recvfrom函数，还可以使用write、read函数进行通信
创建已连接UDP套接字的示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
int sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len;
socklen_t adr_sz;
struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == -1)
{
error_handling("socket() error");
}
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
while (1)
{
fputs("Insert message(q to quit): ", stderr);
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
{
break;
}
write(sock, message, strlen(message));
adr_sz = sizeof(from_adr);
str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
message[str_len] = 0;
printf("Message from server: %s", message);
}
close(sock);
return 0;
}
void error_handling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
实现Windows平台下UDP回声服务器端/客户端
sendto()
#include <WinSock2.h>
int sendto(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags, const struct sockaddr* to, int tolen);
成功时返回传输的字节数，失败时返回SOCKET_ERROR
recvfrom()
#include <WinSock2.h>
int recvfrom(SOCKET s, const char* buf, int len, int flag, const struct sockaddr* from, int* fromlen);
成功时返回接收的字节数，失败时返回SOCKET_ERROR
服务器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <WinSock2.h>
#define BUF_SIZE 30
void ErrorHandling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
WSADATA wsaData;
SOCKET servSock;
char message[BUF_SIZE];
int strLen;
int clntAdrSz;
SOCKADDR_IN servAdr, clntAdr;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
ErrorHandling("WSAStartup() error!");
}
servSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (servSock == INVALID_SOCKET)
{
ErrorHandling("UDP socket creation error");
}
memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
servAdr.sin_family = AF_INET;
servAdr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servAdr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(servSock, (SOCKADDR*)&servAdr, sizeof(servAdr)) == SOCKET_ERROR)
{
ErrorHandling("bind() error");
}
while (1)
{
clntAdrSz = sizeof(clntAdr);
strLen = recvfrom(servSock, message, BUF_SIZE, 0, (SOCKADDR*)&clntAdr, &clntAdrSz);
sendto(servSock, message, strLen, 0, (SOCKADDR*)&clntAdr, sizeof(clntAdr));
}
closesocket(servSock);
WSACleanup();
return 0;
}
void ErrorHandling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <WinSock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#define BUF_SIZE 30
void ErrorHandling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{
WSADATA wsaData;
SOCKET sock;
char message[BUF_SIZE];
int strLen;
SOCKADDR_IN servAdr;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
ErrorHandling("WSAStartup() error!");
}
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock == INVALID_SOCKET)
{
ErrorHandling("socket() error");
}
memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
servAdr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servAdr.sin_addr);
servAdr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (SOCKADDR*)&servAdr, sizeof(servAdr));
while (1)
{
fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
{
break;
}
send(sock, message, strlen(message), 0);
strLen = recv(sock, message, sizeof(message) - 1, 0);
message[strLen] = 0;
printf("Message from server: %s", message);
}
closesocket(sock);
WSACleanup();
return 0;
}
void ErrorHandling(char* message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
|