Linux編程之UDP SOCKET攻略詳解

一、基本的udp socket編程

1. UDP編程框架

要使用UDP協(xié)議進行程序開發(fā)，我們必須首先得理解什么是什么是UDP？這里簡單概括一下。

UDP（user datagram protocol）的中文叫用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，屬于傳輸層。UDP是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接把我要發(fā)的數(shù)據(jù)報發(fā)給對方。所以UDP適用于一次傳輸數(shù)據(jù)量很少、對可靠性要求不高的或?qū)崟r性要求高的應用場景。正因為UDP無需建立類如三次握手的連接，而使得通信效率很高。

UDP的應用非常廣泛，比如一些知名的應用層協(xié)議（SNMP、DNS）都是基于UDP的，想一想，如果SNMP使用的是TCP的話，每次查詢請求都得進行三次握手，這個花費的時間估計是使用者不能忍受的，因為這會產(chǎn)生明顯的卡頓。所以UDP就是SNMP的一個很好的選擇了，要是查詢過程發(fā)生丟包錯包也沒關(guān)系的，我們再發(fā)起一個查詢就好了，因為丟包的情況不多，這樣總比每次查詢都卡頓一下更容易讓人接受吧。

UDP通信的流程比較簡單，因此要搭建這么一個常用的UDP通信框架也是比較簡單的。以下是UDP的框架圖。

?

由以上框圖可以看出，客戶端要發(fā)起一次請求，僅僅需要兩個步驟（socket和sendto），而服務(wù)器端也僅僅需要三個步驟即可接收到來自客戶端的消息（socket、bind、recvfrom）。

2. UDP程序設(shè)計常用函數(shù)

#include           
#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);


參數(shù)domain:用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信的域，socket根據(jù)這個參數(shù)選擇信息協(xié)議的族
Name                                     Purpose                         
AF_UNIX, AF_LOCAL          Local communication              
AF_INET                           IPv4 Internet protocols          //用于IPV4
AF_INET6                         IPv6 Internet protocols          //用于IPV6
AF_IPX                             IPX - Novell protocols
AF_NETLINK                     Kernel user interface device     
AF_X25                            ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol   
AF_AX25                          Amateur radio AX.25 protocol
AF_ATMPVC                      Access to raw ATM PVCs
AF_APPLETALK                 AppleTalk                        
AF_PACKET                      Low level packet interface       
AF_ALG                           Interface to kernel crypto API
對于該參數(shù)我們僅需熟記AF_INET和AF_INET6即可

小插曲：PF_XXX和AF_XXX

我們在看Linux網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)代碼時會發(fā)現(xiàn)PF_XXX和AF_XXX會混著用，他們倆有什么區(qū)別呢？以下內(nèi)容摘自《UNP》。

AF_前綴表示地址族（Address Family），而PF_前綴表示協(xié)議族（Protocol Family）。歷史上曾有這樣的想法：單個協(xié)議族可以支持多個地址族，PF_的值可以用來創(chuàng)建套接字，而AF_值用于套接字的地址結(jié)構(gòu)。但實際上，支持多個地址族的協(xié)議族從來就沒實現(xiàn)過，而頭文件中為一給定的協(xié)議定義的PF_值總是與此協(xié)議的AF_值相同。

所以我在實際編程時還是偏向于使用AF_XXX。

參數(shù)type（只列出最重要的三個）:

SOCK_STREAM Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. //用于TCP

SOCK_DGRAM Supports datagrams (connectionless, unreliable messages ). //用于UDP

SOCK_RAW Provides raw network protocol access. //RAW類型，用于提供原始網(wǎng)絡(luò)訪問

參數(shù)protocol：置0即可

返回值：成功：非負的文件描述符

失?。?1

#include 
#include 
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
              const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

第一個參數(shù)sockfd:正在監(jiān)聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得

第二個參數(shù)buf：發(fā)送緩沖區(qū)，往往是使用者定義的數(shù)組，該數(shù)組裝有要發(fā)送的數(shù)據(jù)

第三個參數(shù)len:發(fā)送緩沖區(qū)的大小，單位是字節(jié)

第四個參數(shù)flags:填0即可

第五個參數(shù)dest_addr:指向接收數(shù)據(jù)的主機地址信息的結(jié)構(gòu)體，也就是該參數(shù)指定數(shù)據(jù)要發(fā)送到哪個主機哪個進程

第六個參數(shù)addrlen:表示第五個參數(shù)所指向內(nèi)容的長度

返回值：成功：返回發(fā)送成功的數(shù)據(jù)長度

失?。?-1

#include 
#include 
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

第一個參數(shù)sockfd:正在監(jiān)聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得

第二個參數(shù)buf：接收緩沖區(qū)，往往是使用者定義的數(shù)組，該數(shù)組裝有接收到的數(shù)據(jù)

第三個參數(shù)len:接收緩沖區(qū)的大小，單位是字節(jié)

第四個參數(shù)flags:填0即可

第五個參數(shù)src_addr:指向發(fā)送數(shù)據(jù)的主機地址信息的結(jié)構(gòu)體，也就是我們可以從該參數(shù)獲取到數(shù)據(jù)是誰發(fā)出的

第六個參數(shù)addrlen:表示第五個參數(shù)所指向內(nèi)容的長度

返回值：成功：返回接收成功的數(shù)據(jù)長度

失?。?-1

#include 
#include 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);

第一個參數(shù)sockfd:正在監(jiān)聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得

第二個參數(shù)my_addr:需要綁定的IP和端口

第三個參數(shù)addrlen：my_addr的結(jié)構(gòu)體的大小

返回值：成功：0

失?。?1

#include 
int close(int fd);

close函數(shù)比較簡單，只要填入socket產(chǎn)生的fd即可。

3. 搭建UDP通信框架

server：

 1 #include 
 2 #include 
 3 #include 
 4 #include 
 5 #include 
 6 
 7 #define SERVER_PORT 8888
 8 #define BUFF_LEN 1024
 9 
10 void handle_udp_msg(int fd)
11 {
12     char buf[BUFF_LEN];  //接收緩沖區(qū)，1024字節(jié)
13     socklen_t len;
14     int count;
15     struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于記錄發(fā)送方的地址信息
16     while(1)
17     {
18         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
19         len = sizeof(clent_addr);
20         count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是擁塞函數(shù)，沒有數(shù)據(jù)就一直擁塞
21         if(count == -1)
22         {
23             printf("recieve data fail!\n");
24             return;
25         }
26         printf("client:%s\n",buf);  //打印client發(fā)過來的信息
27         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
28         sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回復client
29         printf("server:%s\n",buf);  //打印自己發(fā)送的信息給
30         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //發(fā)送信息給client，注意使用了clent_addr結(jié)構(gòu)體指針
31 
32     }
33 }
34 
35 
36 /*
37     server:
38             socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
39 */
40 
41 int main(int argc, char* argv[])
42 {
43     int server_fd, ret;
44     struct sockaddr_in ser_addr; 
45 
46     server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
47     if(server_fd < 0)
48     {
49         printf("create socket fail!\n");
50         return -1;
51     }
52 
53     memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
54     ser_addr.sin_family = AF_INET;
55     ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要進行網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換，INADDR_ANY：本地地址
56     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口號，需要網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換
57 
58     ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
59     if(ret < 0)
60     {
61         printf("socket bind fail!\n");
62         return -1;
63     }
64 
65     handle_udp_msg(server_fd);   //處理接收到的數(shù)據(jù)
66 
67     close(server_fd);
68     return 0;
69 }

client：

 1 #include 
 2 #include 
 3 #include 
 4 #include 
 5 #include 
 6 
 7 #define SERVER_PORT 8888
 8 #define BUFF_LEN 512
 9 #define SERVER_IP "172.0.5.182"
10 
11 
12 void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
13 {
14 
15     socklen_t len;
16     struct sockaddr_in src;
17     while(1)
18     {
19         char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
20         len = sizeof(*dst);
21         printf("client:%s\n",buf);  //打印自己發(fā)送的信息
22         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
23         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
24         recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收來自server的信息
25         printf("server:%s\n",buf);
26         sleep(1);  //一秒發(fā)送一次消息
27     }
28 }
29 
30 /*
31     client:
32             socket-->sendto-->revcfrom-->close
33 */
34 
35 int main(int argc, char* argv[])
36 {
37     int client_fd;
38     struct sockaddr_in ser_addr;
39 
40     client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
41     if(client_fd < 0)
42     {
43         printf("create socket fail!\n");
44         return -1;
45     }
46 
47     memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
48     ser_addr.sin_family = AF_INET;
49     //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
50     ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換
51     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換
52 
53     udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);
54 
55     close(client_fd);
56 
57     return 0;
58 }

以上的框架用于一臺主機不同端口的UDP通信，現(xiàn)象如下：

我們先建立server端，等待服務(wù)；然后我們建立client端請求服務(wù)。

server端：

?

client端：

?

自己主機跟自己通信不是很爽，我們想跟其他主機通信怎么搞？很簡單，上面client的代碼的第49行的注釋打開，并注釋掉下面那行，在宏定義里填入自己想通信的serverip就可以了。現(xiàn)象如下：

server端：

?

client端：

?

這樣我們就實現(xiàn)了主機172.0.5.183和172.0.5.182之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

UDP通用框架搭建完成，我們可以利用該框架跟指定主機進行通信了。

如果想學習UDP的基礎(chǔ)知識，以上的知識就足夠了；如果想繼續(xù)深入學習一下UDP SOCKET一些高級知識（奇技淫巧），可以花點時間往下看。

二、高級udp socket編程

1. udp的connect函數(shù)

什么？UDP也有conenct？connect不是用于TCP編程的嗎？

是的，UDP網(wǎng)絡(luò)編程中的確有connect函數(shù)，但它僅僅用于表示確定了另一方的地址，并沒有其他含義。

有了以上認識后，我們可以知道UDP套接字有以下區(qū)分：

未連接的UDP套接字

已連接的UDP套接字

對于未連接的套接字，也就是我們常用的的UDP套接字，我們使用的是sendto/recvfrom進行信息的收發(fā)，目標主機的IP和端口是在調(diào)用sendto/recvfrom時確定的；

在一個未連接的UDP套接字上給兩個數(shù)據(jù)報調(diào)用sendto函數(shù)內(nèi)核將執(zhí)行以下六個步驟：

連接套接字

輸出第一個數(shù)據(jù)報

斷開套接字連接

連接套接字

輸出第二個數(shù)據(jù)報

斷開套接字連接

對于已連接的UDP套接字，必須先經(jīng)過connect來向目標服務(wù)器進行指定，然后調(diào)用read/write進行信息的收發(fā)，目標主機的IP和端口是在connect時確定的，也就是說，一旦conenct成功，我們就只能對該主機進行收發(fā)信息了。

已連接的UDP套接字給兩個數(shù)據(jù)報調(diào)用write函數(shù)內(nèi)核將執(zhí)行以下三個步驟：

連接套接字

輸出第一個數(shù)據(jù)報

輸出第二個數(shù)據(jù)報

由此可以知道，當應用進程知道給同一個目的地址的端口號發(fā)送多個數(shù)據(jù)報時，顯示套接字效率更高。

下面給出帶connect函數(shù)的UDP通信框架

?

具體框架代碼不再給出了，因為跟上面不帶connect的代碼大同小異，僅僅多出一個connect函數(shù)處理而已，下面給出處理conenct()的基本步驟。

void udp_handler(int s, struct sockaddr* to)
{
    char buf[1024] = "TEST UDP !";
    int n = 0;
    connect(s, to, sizeof(*to);
 
    n = write(s, buf, 1024);
 
    read(s, buf, n);
}

2. udp報文丟失問題

因為UDP自身的特點，決定了UDP會相對于TCP存在一些難以解決的問題。第一個就是UDP報文缺失問題。 在UDP服務(wù)器客戶端的例子中，如果客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失，服務(wù)器會一直等待，直到客戶端的合法數(shù)據(jù)過來。如果服務(wù)器的響應在中間被路由丟棄，則客戶端會一直阻塞，直到服務(wù)器數(shù)據(jù)過來。

防止這樣的永久阻塞的一般方法是給客戶的recvfrom調(diào)用設(shè)置一個超時，大概有這么兩種方法：

使用信號SIGALRM為recvfrom設(shè)置超時。首先我們?yōu)镾IGALARM建立一個信號處理函數(shù)，并在每次調(diào)用前通過alarm設(shè)置一個5秒的超時。如果recvfrom被我們的信號處理函數(shù)中斷了，那就超時重發(fā)信息；若正常讀到數(shù)據(jù)了，就關(guān)閉報警時鐘并繼續(xù)進行下去。

使用select為recvfrom設(shè)置超時 設(shè)置select函數(shù)的第五個參數(shù)即可。

3. udp報文亂序問題

所謂亂序就是發(fā)送數(shù)據(jù)的順序和接收數(shù)據(jù)的順序不一致，例如發(fā)送數(shù)據(jù)的順序為A、B、C，但是接收到的數(shù)據(jù)順序卻為：A、C、B。產(chǎn)生這個問題的原因在于，每個數(shù)據(jù)報走的路由并不一樣，有的路由順暢，有的卻擁塞，這導致每個數(shù)據(jù)報到達目的地的順序就不一樣了。UDP協(xié)議并不保證數(shù)據(jù)報的按序接收。

解決這個問題的方法就是發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)時加入數(shù)據(jù)報序號，這樣接收端接收到報文后可以先檢查數(shù)據(jù)報的序號，并將它們按序排隊，形成有序的數(shù)據(jù)報。

4. udp流量控制問題

總所周知，TCP有滑動窗口進行流量控制和擁塞控制，反觀UDP因為其特點無法做到。UDP接收數(shù)據(jù)時直接將數(shù)據(jù)放進緩沖區(qū)內(nèi)，如果用戶沒有及時將緩沖區(qū)的內(nèi)容復制出來放好的話，后面的到來的數(shù)據(jù)會接著往緩沖區(qū)放，當緩沖區(qū)滿時，后來的到的數(shù)據(jù)就會覆蓋先來的數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)丟失（因為內(nèi)核使用的UDP緩沖區(qū)是環(huán)形緩沖區(qū)）。因此，一旦發(fā)送方在某個時間點爆發(fā)性發(fā)送消息，接收方將因為來不及接收而發(fā)生信息丟失。

解決方法一般采用增大UDP緩沖區(qū)，使得接收方的接收能力大于發(fā)送方的發(fā)送能力。

int n = 220 * 1024; //220kB
setsocketopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));

這樣我們就把接收方的接收隊列擴大了，從而盡量避免丟失數(shù)據(jù)的發(fā)生。

審核編輯：符乾江