一、基本的udp socket編程

1. UDP編程框架

要使用UDP協議進行程序開發，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）的中文叫用戶數據報協議，屬于傳輸層。UDP是面向非連接的協議，它不與對方建立連接，而是直接把我要發的數據報發給對方。所以UDP適用于一次傳輸數據量很少、對可靠性要求不高的或對實時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，要是查詢過程發生丟包錯包也沒關系的，我們再發起一個查詢就好了，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，客戶端要發起一次請求，僅僅需要兩個步驟（socket和sendto），而服務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程序設計常用函數

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


參數domain:用于設置網絡通信的域，socket根據這個參數選擇信息協議的族
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網絡編程相關代碼時會發現PF_XXX和AF_XXX會混著用，他們倆有什么區別呢？以下內容摘自《UNP》。

AF_前綴表示地址族（Address Family），而PF_前綴表示協議族（Protocol Family）。歷史上曾有這樣的想法：單個協議族可以支持多個地址族，PF_的值可以用來創建套接字，而AF_值用于套接字的地址結構。但實際上，支持多個地址族的協議族從來就沒實現過，而頭文件中為一給定的協議定義的PF_值總是與此協議的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，用于提供原始網絡訪問

參數protocol：置0即可

返回值：成功：非負的文件描述符

失敗：-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sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得

第二個參數buf：發送緩沖區，往往是使用者定義的數組，該數組裝有要發送的數據

第三個參數len:發送緩沖區的大小，單位是字節

第四個參數flags:填0即可

第五個參數dest_addr:指向接收數據的主機地址信息的結構體，也就是該參數指定數據要發送到哪個主機哪個進程

第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度

返回值：成功：返回發送成功的數據長度

失敗： -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sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得

第二個參數buf：接收緩沖區，往往是使用者定義的數組，該數組裝有接收到的數據

第三個參數len:接收緩沖區的大小，單位是字節

第四個參數flags:填0即可

第五個參數src_addr:指向發送數據的主機地址信息的結構體，也就是我們可以從該參數獲取到數據是誰發出的

第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度

返回值：成功：返回接收成功的數據長度

失敗： -1

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

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

第二個參數my_addr:需要綁定的IP和端口

第三個參數addrlen：my_addr的結構體的大小

返回值：成功：0

失敗：-1

#include 
int close(int fd);

close函數比較簡單，只要填入socket產生的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，1024字節
13     socklen_t len;
14     int count;
15     struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于記錄發送方的地址信息
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，沒有數據就一直擁塞
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);  //打印自己發送的信息給
30         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //發送信息給client，注意使用了clent_addr結構體指針
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，需要進行網絡序轉換，INADDR_ANY：本地地址
56     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口號，需要網絡序轉換
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);   //處理接收到的數據
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);  //注意網絡序轉換
51     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意網絡序轉換
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，現象如下：

我們先建立server端，等待服務；然后我們建立client端請求服務。

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。現象如下：

server端：

?

client端：

?

這樣我們就實現了主機172.0.5.183和172.0.5.182之間的網絡通信。

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的基礎知識，以上的知識就足夠了；如果想繼續深入學習一下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

什么？UDP也有conenct？connect不是用于TCP編程的嗎？

是的，UDP網絡編程中的確有connect函數，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，目標主機的IP和端口是在調用sendto/recvfrom時確定的；

在一個未連接的UDP套接字上給兩個數據報調用sendto函數內核將執行以下六個步驟：

連接套接字

輸出第一個數據報

斷開套接字連接

連接套接字

輸出第二個數據報

斷開套接字連接

對于已連接的UDP套接字，必須先經過connect來向目標服務器進行指定，然后調用read/write進行信息的收發，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信息了。

已連接的UDP套接字給兩個數據報調用write函數內核將執行以下三個步驟：

連接套接字

輸出第一個數據報

輸出第二個數據報

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送多個數據報時，顯示套接字效率更高。

下面給出帶connect函數的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服務器客戶端的例子中，如果客戶端發送的數據丟失，服務器會一直等待，直到客戶端的合法數據過來。如果服務器的響應在中間被路由丟棄，則客戶端會一直阻塞，直到服務器數據過來。

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

使用信號SIGALRM為recvfrom設置超時。首先我們為SIGALARM建立一個信號處理函數，并在每次調用前通過alarm設置一個5秒的超時。如果recvfrom被我們的信號處理函數中斷了，那就超時重發信息；若正常讀到數據了，就關閉報警時鐘并繼續進行下去。

使用select為recvfrom設置超時 設置select函數的第五個參數即可。

3. udp報文亂序問題

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

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

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接收數據時直接將數據放進緩沖區內，如果用戶沒有及時將緩沖區的內容復制出來放好的話，后面的到來的數據會接著往緩沖區放，當緩沖區滿時，后來的到的數據就會覆蓋先來的數據而造成數據丟失（因為內核使用的UDP緩沖區是環形緩沖區）。因此，一旦發送方在某個時間點爆發性發送消息，接收方將因為來不及接收而發生信息丟失。

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

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據的發生。

審核編輯：符乾江