基本套接字編程（7） -- udp篇

1. UDP概述

        UDP 是User Datagram Protocol的簡稱， 中文名是用戶數據報協議，是OSI（Open System Interconnection，開放式系統互聯） 參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，IETF RFC 768是UDP的正式規范。UDP在IP報文的協議號是17。
UDP協議全稱是用戶數據報協議 ，在網絡中它與TCP協議一樣用於處理數據包，是一種無連接的協議。在OSI模型中，在第四層--傳輸層，處於IP協議的上一層。UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點，也就是說，當報文發送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用。包括網絡視頻會議系統在內的眾多的客戶/服務器模式的網絡應用都需要使用UDP協議。UDP協議從問世至今已經被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經被一些類似協議所掩蓋，但是即使是在今天UDP仍然不失為一項非常實用和可行的網絡傳輸層協議。
與所熟知的TCP（傳輸控制協議）協議一樣，UDP協議直接位於IP（網際協議）協議的頂層。根據OSI（開放系統互連）參考模型，UDP和TCP都屬於傳輸層協議。UDP協議的主要作用是將網絡數據流量壓縮成數據包的形式。一個典型的數據包就是一個二進制數據的傳輸單位。每一個數據包的前8個字節用來包含報頭信息，剩余字節則用來包含具體的傳輸數據。

在使用TCP編寫的應用程序與使用UDP編寫的應用程序之間存在一些本質差異，其原因在於這兩個傳輸層之間的差別：UDP是無連接不可靠的數據報協議，非常不同於TCP提供的面向連接的可靠字節流協議。然而，相比TCP，有些場合確實更適合使用UDP，典型應用程序又：DNS（域名系統）、NFS（網絡文件系統）和SNMP（簡單網絡管理協議）。

2. UDP套接字編程

與面向連接的協議相比，面向無連接協議極為不同。其中一個重要的不同點就是客戶端與服務器之間不必建立連接。
對於UDP套接字編程而言，服務器創建套接字后，調用bind()函數將套接字與准備接收數據的接口綁定在一起。和TCP編程不同的是，應用程序不必調用listen()和accept()函數等待客戶端的連接。而只需要等待接收數據了。開發UDP套接字應用程序，有兩個重要的函數sendto()和recvfrom()。服務器采用recvfrom()來接收來自客戶端的數據報，並獲得客戶端的端地址，之后向客戶端發送數據時，采用sendto()函數。

下圖為 UDP套接字編程流程圖：

從圖示中可以明顯的看出UDP套接字網絡編程與TCP的區別。

3. UDP套接字函數

套接字創建socket()、地址綁定bind()函數與TCP套接字編程相同，具體請參考 基本套接字編程（1） -- tcp篇，此處僅介紹消息傳輸函數sendto()與recvfrom()；

3.1 消息發送函數sendto()

函數原型：

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t nbytes , int flags , const struct sockaddr *to , socklen_t addrlen);
		<span style="white-space:pre">								</span>返回值：成功返回寫的字節數，出錯返回-1

函數說明：
sendto() 用來將數據由指定的socket傳給對方主機。參數s為已建好連線的socket,如果利用UDP協議則不需經過連線操作。參數buf指向欲連線的數據內容，參數flags 一般設0，詳細描述請參考send()。參數to用來指定欲傳送的網絡地址，結構sockaddr請參考bind()。參數addrlen為sockaddr的結構長度。
參數：

• 前三個參數sockfd , buff 和 nbytes等同於read 和 write函數的三個參數：描述符、指向寫出緩沖區的指針和寫字節數；
• falgs參數一般置0；
• to參數指向一個含有數據報接收者的協議地址（如IP地址和端口號）的套接字地址結構，其大小由addrlen指定；

返回值：

若無錯誤發生，返回所發送數據的總數（請注意這個數字可能小於len中所規定的大小）。否則的話，返回SOCKET_ERROR錯誤（-1），應用程序可通過WSAGetLastError()獲取相應錯誤代碼。

• WSANOTINITIALISED：在使用此API之前應首先成功地調用WSAStartup()；
•   WSAENETDOWN：WINDOWS套接口實現檢測到網絡子系統失效；
•   WSAEACESS：要求地址為廣播地址，但相關標志未能正確設置；
•   WSAEINTR：通過一個WSACancelBlockingCall()來取消一個（阻塞的）調用；
•   WSAEINPROGRESS：一個阻塞的WINDOWS套接口調用正在運行中；
•   WSAEFAULT：buf或to參數不是用戶地址空間的一部分，或to參數太小（小於sockaddr結構大小）；
•   WSAENETRESET：由於WINDOWS套接口實現放棄了連接，故該連接必需被復位；
•   WSAENOBUFS：WINDOWS套接口實現報告一個緩沖區死鎖；
•   WSAENOTCONN：套接口未被連接；
•   WSAENOTSOCK：描述字不是一個套接口；
•   WSAEOPNOTSUPP：已設置了MSG_OOB，但套接口非SOCK_STREAM類型；
•   WSAESHUTDOWN：套接口已被關閉。一個套接口以1或2的how參數調用shutdown()關閉后，無法再用sned()函數；
•   WSAEWOULDBLOCK：套接口被標志為非阻塞， 但該調用會產生阻塞；
•   WSAEMSGSIZE：套接口為SOCK_DGRAM類型，且數據報大於WINDOWS套接口實現所支持的最大值；
•   WSAECONNABORTED：由於超時或其他原因引起虛電路的中斷；
•   WSAECONNRESET：虛電路被遠端復位；
•   WSAEADDRNOTAVAIL：所指地址無法從本地主機獲得；
•   WSAEAFNOSUPPORT：所指定地址族中地址無法與本套接口一切使用；
•   WSAEDESADDRREQ：需要目的地址；
•   WSAENETUNREACH：當前無法從本主機聯上網絡；

3.2 消息接收函數recvfrom()

函數原型：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd , const void *buf , size_t nbytes , int flags , const struct sockaddr *from, socklen_t addrlen);
										返回值：成功返回寫的字節數，出錯返回-1

函數說明：

recvfrom()用來接收遠程主機經指定的socket傳來的數據，並把數據傳到由參數buf指向的內存空間，參數nbytes為可接收數據的最大長度.參數，flags一般設0，其他數值定義參考recv()，參數from用來指定欲傳送的網絡地址，結構sockaddr請參考bind()函數，參數fromlen為sockaddr的結構長度。

參數說明：

• 前三個參數sockfd , buff 和 nbytes等同於read 和 write函數的三個參數：描述符、指向寫出緩沖區的指針和寫字節數；
• falgs參數一般置0；
• from參數指向一個含有數據報接收者的協議地址（如IP地址和端口號）的套接字地址結構，其大小由addrlen指定；

返回值：

同sendto()函數！若無錯誤發生，返回所接收數據的總數（請注意這個數字可能小於len中所規定的大小）。否則的話，返回SOCKET_ERROR錯誤（-1），應用程序可通過WSAGetLastError()獲取相應錯誤代碼。

• WSANOTINITIALISED：在使用此API之前應首先成功地調用WSAStartup()；
•   WSAENETDOWN：WINDOWS套接口實現檢測到網絡子系統失效；
•   WSAEACESS：要求地址為廣播地址，但相關標志未能正確設置；
•   WSAEINTR：通過一個WSACancelBlockingCall()來取消一個（阻塞的）調用；
•   WSAEINPROGRESS：一個阻塞的WINDOWS套接口調用正在運行中；
•   WSAEFAULT：buf或to參數不是用戶地址空間的一部分，或to參數太小（小於sockaddr結構大小）；
•   WSAENETRESET：由於WINDOWS套接口實現放棄了連接，故該連接必需被復位；
•   WSAENOBUFS：WINDOWS套接口實現報告一個緩沖區死鎖；
•   WSAENOTCONN：套接口未被連接；
•   WSAENOTSOCK：描述字不是一個套接口；
•   WSAEOPNOTSUPP：已設置了MSG_OOB，但套接口非SOCK_STREAM類型；
•   WSAESHUTDOWN：套接口已被關閉。一個套接口以1或2的how參數調用shutdown()關閉后，無法再用sned()函數；
•   WSAEWOULDBLOCK：套接口被標志為非阻塞， 但該調用會產生阻塞；
•   WSAEMSGSIZE：套接口為SOCK_DGRAM類型，且數據報大於WINDOWS套接口實現所支持的最大值；
•   WSAECONNABORTED：由於超時或其他原因引起虛電路的中斷；
•   WSAECONNRESET：虛電路被遠端復位；
•   WSAEADDRNOTAVAIL：所指地址無法從本地主機獲得；
•   WSAEAFNOSUPPORT：所指定地址族中地址無法與本套接口一切使用；
•   WSAEDESADDRREQ：需要目的地址；
•   WSAENETUNREACH：當前無法從本主機聯上網絡；

4. UDP回射程序實例

4.1 server.c

<pre name="code" class="cpp">#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/ip.h>

const int SERV_PORT = 6000;
const int MAXLINE = 2048;
void dg_echo(int sockfd , struct sockaddr *pcliaddr , socklen_t clilen)
{
	int n;
	socklen_t len;
	char mesg[MAXLINE];
	for( ; ;)
	{
		len = clilen;
		if((n = recvfrom(sockfd , mesg , MAXLINE , 0 , pcliaddr , &len))<0)
		{
			perror("recvfrom error");
			exit(1);
		}//if

		if((n = sendto(sockfd , mesg , n , 0 , pcliaddr , len)) < 0)
		{
			perror("sendto error");
			exit(1);
		}//if
	}//for
}
int main(int argc , char **argv)
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in servaddr , cliaddr;
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM , 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(1);
	}//if

	if(bind(sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr)))
	{
		perror("bind error");
		exit(1);
	}//if
	dg_echo(sockfd , (struct sockaddr *)&cliaddr , sizeof(cliaddr));	
}

4.2 client.c

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

const int SERV_PORT = 6000;
const int MAXLINE = 2048;

void dg_cli(FILE *fp , int sockfd , const struct sockaddr *pservaddr , socklen_t servlen)
{
	int n;
	char sendline[MAXLINE] , recvline[MAXLINE+1];

	while(fgets(sendline , MAXLINE , fp) != NULL)
	{
		if(sendto(sockfd , sendline , strlen(sendline) , 0 , pservaddr ,  servlen) < 0)
		{
			perror("sendto error");
			exit(1);
		}//if

		if( ( n = recvfrom(sockfd , recvline , MAXLINE , 0 , NULL , NULL)) < 0)
		{
			perror("recvfrom error");
			exit(1);
		}//if
		recvline[n] = '\0';
		fputs(recvline , stdout);
	}//while
}

int main(int argc , char **argv)
{
	int sockfd , t;
	struct sockaddr_in servaddr;
	if(argc != 2)
	{
		perror("usage: udpcli <IPaddress>");
		exit(1);
	}//if
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	if((t = inet_pton(AF_INET , argv[1], &servaddr.sin_addr)) <= 0)
	{
		perror("inet_pton error");
<span style="white-space:pre">	</span>	exit(1);
	}//if

	if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM , 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(1);
	}//if

	dg_cli(stdin , sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr));
	exit(0);
} 

4.3 運行結果

GitHub源碼網址