基於UDP協議的網絡程序

一、下圖是典型的UDP客戶端/服務器通訊過程

下面依照通信流程，我們來實現一個UDP回射客戶/服務器

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>

  ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

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

當套接字處於“已連接”的狀態時，才可以使用send，當flags = 0 時 send 與 write 一致。

且 send(sockfd, buf, len, flags);  即  sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);

 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

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

recv 與 recvfrom 的關系與 send 與 sendto 的關系一致。

echoser_udp.c：

 

 C++ Code 

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/*************************************************************************     > File Name: echoser_udp.c     > Author: Simba     > Mail: [e-mail]     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<errno.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<string.h> #define ERR_EXIT(m) \     do { \         perror(m); \         exit(EXIT_FAILURE); \     } while (0) void echo_ser(int sock) {     char recvbuf[1024] = {0};     struct sockaddr_in peeraddr;     socklen_t peerlen;     int n;     while (1)     {         peerlen = sizeof(peeraddr);         memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));         n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0,                      (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);         if (n == -1)         {             if (errno == EINTR)                 continue;             ERR_EXIT("recvfrom error");         }         else if(n > 0)         {             fputs(recvbuf, stdout);             sendto(sock, recvbuf, n, 0,                    (struct sockaddr *)&peeraddr, peerlen);         }     }     close(sock); } int main(void) {     int sock;     if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)         ERR_EXIT("socket error");     struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons(5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)         ERR_EXIT("bind error");     echo_ser(sock);     return 0; }

 

echocli_udp.c：

 

 C++ Code 

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/*************************************************************************     > File Name: echocli_udp.c     > Author: Simba     > Mail: [e-mail]     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \         do \         { \                 perror(m); \                 exit(EXIT_FAILURE); \         } while(0) void echo_cli(int sock) {     struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons(5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");     int ret;     char sendbuf[1024] = {0};     char recvbuf[1024] = {0};     while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)     {         sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));         ret = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);         if (ret == -1)         {             if (errno == EINTR)                 continue;             ERR_EXIT("recvfrom");         }         fputs(recvbuf, stdout);         memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));         memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));     }     close(sock); } int main(void) {     int sock;     if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)         ERR_EXIT("socket");     echo_cli(sock);     return 0; }

 

編譯運行server，在兩個終端里各開一個client與server交互，可以看到server具有並發服務的能力。用Ctrl+C關閉server，然后再運行server，此時client還能和server聯系上。和前面TCP程序的運行結果相比較，我們可以體會無連接的含義。udp 協議來說，server與client 的界限更模糊了，只要知道對等方地址(ip和port) 都可以主動發數據。

二、UDP編程注意點

1、UDP報文可能會丟失、重復
2、UDP報文可能會亂序
3、UDP缺乏流量控制
4、UDP協議數據報文截斷
5、recvfrom返回0，不代表連接關閉，因為udp是無連接的。
6、ICMP異步錯誤
7、UDP connect
8、UDP外出接口的確定

9、太大的UDP包可能出現的問題

由於UDP不需要維護連接，程序邏輯簡單了很多，但是UDP協議是不可靠的，實際上有很多保證通訊可靠性的機制需要在應用層實現，即123點所提到的。比如 如果發送端速度較快，而接收端較慢，很可能會產生 ICMP Source Quench Error，丟棄一些數據包。

對於第4點，可以寫個小程序測試一下：

 

 C++ Code 

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#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \         do \         { \                 perror(m); \                 exit(EXIT_FAILURE); \         } while(0) int main(void) {     int sock;     if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)         ERR_EXIT("socket");     struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons(5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)         ERR_EXIT("bind");     sendto(sock, "ABCD", 4, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));     char recvbuf[1];     int n;     int i;     for (i = 0; i < 4; i++)     {         /* udp是報式協議，即若一次性接收的空間小於發來的數據，有可能造成報文截斷，          * 但一定沒有tcp的粘包問題  */         n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);         if (n == -1)         {             if (errno == EINTR)                 continue;             ERR_EXIT("recvfrom");         }         else if(n > 0)             printf("n=%d %c\n", n, recvbuf[0]);     }     return 0; }

 

上述程序是自己發送數據給自己，發送了4個字節，但我們只提供1個字節的緩沖區recvbuf，第一次recvfrom 讀取一個字節，但接下去循環卻讀不到剩下的數據了，因為udp 是報式協議，如果一次性接收的緩沖區小於發來的數據，有可能造成報文截斷，反觀tcp流式協議，可以一次讀取一個數據包的一部分，也可以一次性讀取多個數據包，但這也正是其會造成粘包問題的來源，所以也說udp 協議不會有粘包問題，因為一次就接收一個消息。輸出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./trunc 
n=1 A

............

接收了一個字符之后，再次recvfrom 就阻塞了。

對於第5點，如果我們使用sendto 發送的數據大小為0，則發送給對方的是只含有各層協議頭部的數據幀，recvfrom 會返回0，但並不代表對方關閉連接，因為udp 本身沒有連接的概念。

第678點合起來一起講，可以看到我們的客戶端程序現在沒有調用connect，不運行服務器程序，直接運行客戶端程序，查看現象：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf

................

當我們在鍵盤敲入幾個字符，sendto只是把Buf的數據拷貝到sock對應的緩沖區中，此時服務器未開啟，協議棧返回一個ICMP異步錯誤，但因為前面沒有調用connect“建立”一個連接，則recvfrom時不能收到這個錯誤而一直阻塞。現在我們在while 循環的外面添加一句：connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)); 再次測試一下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf
recvfrom: Connection refused

此時recvfrom 就能接收到這個錯誤而返回了，並打印錯誤提示。

其實connect 並沒有真正建立一個連接，即沒有3次握手過程，只是維護了一種狀態，綁定了遠程地址，因為如此在調用sendto 時也可以不指定遠程地址了，如 sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, NULL, 0);  甚至也可以使用send 函數

 send(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);

假設現在客戶端有多個ip地址，由connect 或 sendto 函數提供的遠程地址的參數，系統會選擇一個合適的出口，比如遠程ip 是192.168.2.10, 而客戶端現在的ip 有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么會自動選擇192.168.2.75 這個ip 出去。

關於第9點。假設現在我們發送一個8192B 的IP數據報，必須分片傳輸，如果此時目的地址arp 並沒有緩存，那么每一片都會發起arp 請求，此時會造成 arp flooding（RFC 建議的最大發送速率是每秒一次）。此時每一片都在等待arp reply，系統實現只會將最后一片發送到目的地（ARP input queue  was LIFO ），也就是說，其他片都被丟棄了。對等方的IP層當接收到第一個到來的片時（不一定是偏移為0的片）會啟動定時器，如果在30～60s 內的超時時間內沒有接收到所有的片，則會丟棄所有接收到的片。但需要注意的是不一定會產生 ICMP "time exceeded during reassembly" error （ICMP 超時錯誤類型為11，code為0表示是TTL為0超時，code為1表示對方重組分片超時），只有在已經接收到偏移為0的片，即包含udp頭部的片時才會產生此種錯誤，因為這個時候ICMP報文的接收方通過頭部（源端口號，如下ICMP超時報文的payload）才知道是哪個進程發送的這個IP報文被丟棄了。實際上有沒有產生ICMP超時報文並不是那么重要，因為系統假設TCP層 或者使用UDP的應用程序最終會timeout 導致重傳。

參考：

《Linux C 編程一站式學習》

《TCP/IP詳解 卷一》

《UNP》