【转】Linux编程之UDP SOCKET全攻略

时间  2019-11-10
标签 linux 编程 udp socket 攻略 栏目 Linux 繁體版
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转自：http://www.cnblogs.com/skyfsm/p/6287787.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral　　html

这篇文章将对linux下udp socket编程重要知识点进行总结，不管是开发人员应知应会的，仍是说udp socket的一些偏僻知识点，本文都会讲到。尽量作到，读了一篇文章以后，你们对udp socket有一个比较全面的认识。本文分为两个专题，第一个是经常使用的upd socket框架，第二个是一些udp socket并不经常使用但又至关重要的知识点。linux

 

1、基本的udp socket编程编程

1. UDP编程框架
要使用UDP协议进行程序开发，咱们必须首先得理解什么是什么是UDP？这里简单归纳一下。

UDP（user datagram protocol）的中文叫用户数据报协议，属于传输层。UDP是面向非链接的协议，它不与对方创建链接，而是直接把我要发的数据报发给对方。因此UDP适用于一次传输数据量不多、对可靠性要求不高的或对实时性要求高的应用场景。正由于UDP无需创建类如三次握手的链接，而使得通讯效率很高。

UDP的应用很是普遍，好比一些知名的应用层协议（SNMP、DNS）都是基于UDP的，想想，若是SNMP使用的是TCP的话，每次查询请求都得进行三次握手，这个花费的时间估计是使用者不能忍受的，由于这会产生明显的卡顿。因此UDP就是SNMP的一个很好的选择了，要是查询过程发生丢包错包也不要紧的，咱们再发起一个查询就行了，由于丢包的状况很少，这样总比每次查询都卡顿一下更容易让人接受吧。

UDP通讯的流程比较简单，所以要搭建这么一个经常使用的UDP通讯框架也是比较简单的。如下是UDP的框架图。数组

由以上框图能够看出，客户端要发起一次请求，仅仅须要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅须要三个步骤便可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。服务器

2. UDP程序设计经常使用函数网络

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数domain:用于设置网络通讯的域，socket根据这个参数选择信息协议的族
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
 
对于该参数咱们仅需熟记AF_INET和AF_INET6便可
 
小插曲：PF_XXX和AF_XXX
咱们在看Linux网络编程相关代码时会发现PF_XXX和AF_XXX会混着用，他们俩有什么区别呢？如下内容摘自《UNP》。
AF_前缀表示地址族（Address Family），而PF_前缀表示协议族（Protocol Family）。历史上曾有这样的想法：单个协议族能够支持多个地址族，PF_的值能够用来建立套接字，而AF_值用于套接字的地址结构。但实际上，支持多个地址族的协议族历来就没实现过，而头文件<sys/socket.h>中为一给定的协议定义的PF_值老是与此协议的AF_值相同。
因此我在实际编程时仍是偏向于使用AF_XXX。
 
参数type（只列出最重要的三个）:
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类型，用于提供原始网络访问
 
参数protocol：置0便可
返回值：成功：非负的文件描述符
           失败：-1 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
              const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，经过socket得到
第二个参数buf：发送缓冲区，每每是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据
第三个参数len:发送缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0便可
第五个参数dest_addr:指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪一个主机哪一个进程
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回发送成功的数据长度
           失败： -1 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，经过socket得到
第二个参数buf：接收缓冲区，每每是使用者定义的数组，该数组装有接收到的数据
第三个参数len:接收缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0便可
第五个参数src_addr:指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是咱们能够从该参数获取到数据是谁发出的
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回接收成功的数据长度
           失败： -1 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);
第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，经过socket得到
第二个参数my_addr:须要绑定的IP和端口
第三个参数addrlen：my_addr的结构体的大小
返回值：成功：0
           失败：-1 
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close函数比较简单，只要填入socket产生的fd便可。
 

3. 搭建UDP通讯框架框架

server：less

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

#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
    char buf[BUFF_LEN];  //接收缓冲区，1024字节
    socklen_t len;
    int count;
    struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于记录发送方的地址信息
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        len = sizeof(clent_addr);
        count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞
        if(count == -1)
        {
            printf("recieve data fail!\n");
            return;
        }
        printf("client:%s\n",buf);  //打印client发过来的信息
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回复client
        printf("server:%s\n",buf);  //打印本身发送的信息给
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针

    }
}


/*
    server:
            socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int server_fd, ret;
    struct sockaddr_in ser_addr; 

    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
    if(server_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，须要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号，须要网络序转换

    ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    if(ret < 0)
    {
        printf("socket bind fail!\n");
        return -1;
    }

    handle_udp_msg(server_fd);   //处理接收到的数据

    close(server_fd);
    return 0;
}

client：dom

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

#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "172.0.5.182"


void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
{

    socklen_t len;
    struct sockaddr_in src;
    while(1)
    {
        char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
        len = sizeof(*dst);
        printf("client:%s\n",buf);  //打印本身发送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收来自server的信息
        printf("server:%s\n",buf);
        sleep(1);  //一秒发送一次消息
    }
}

/*
    client:
            socket-->sendto-->revcfrom-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int client_fd;
    struct sockaddr_in ser_addr;

    client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(client_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意网络序转换
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意网络序转换

    udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

    close(client_fd);

    return 0;
}
以上的框架用于一台主机不一样端口的UDP通讯，现象以下：
咱们先创建server端，等待服务；而后咱们创建client端请求服务。
server端：

 

client端：socket

本身主机跟本身通讯不是很爽，咱们想跟其余主机通讯怎么搞？很简单，上面client的代码的第49行的注释打开，并注释掉下面那行，在宏定义里填入本身想通讯的serverip就能够了。现象以下：
server端：
client端：

 

这样咱们就实现了主机172.0.5.183和172.0.5.182之间的网络通讯。
 
UDP通用框架搭建完成，咱们能够利用该框架跟指定主机进行通讯了。
 
若是想学习UDP的基础知识，以上的知识就足够了；若是想继续深刻学习一下UDP SOCKET一些高级知识（奇技淫巧），能够花点时间往下看。
 
2、高级udp socket编程

1. udp的connect函数
什么？UDP也有conenct？connect不是用于TCP编程的吗？
是的，UDP网络编程中的确有connect函数，但它仅仅用于表示肯定了另外一方的地址，并无其余含义。
有了以上认识后，咱们能够知道UDP套接字有如下区分：
1）未链接的UDP套接字
2）已链接的UDP套接字

对于未链接的套接字，也就是咱们经常使用的的UDP套接字，咱们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在调用sendto/recvfrom时肯定的；

在一个未链接的UDP套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行如下六个步骤：
1）链接套接字
2）输出第一个数据报
3）断开套接字链接
4）链接套接字
5）输出第二个数据报
6）断开套接字链接

对于已链接的UDP套接字，必须先通过connect来向目标服务器进行指定，而后调用read/write进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在connect时肯定的，也就是说，一旦conenct成功，咱们就只能对该主机进行收发信息了。

已链接的UDP套接字给两个数据报调用write函数内核将执行如下三个步骤：
1）链接套接字
2）输出第一个数据报
3）输出第二个数据报

由此能够知道，当应用进程知道给同一个目的地址的端口号发送多个数据报时，显示套接字效率更高。

下面给出带connect函数的UDP通讯框架

 

 

 具体框架代码再也不给出了，由于跟上面不带connect的代码大同小异，仅仅多出一个connect函数处理而已，下面给出处理conenct()的基本步骤。

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报文丢失问题
由于UDP自身的特色，决定了UDP会相对于TCP存在一些难以解决的问题。第一个就是UDP报文缺失问题。
在UDP服务器客户端的例子中，若是客户端发送的数据丢失，服务器会一直等待，直到客户端的合法数据过来。若是服务器的响应在中间被路由丢弃，则客户端会一直阻塞，直到服务器数据过来。

防止这样的永久阻塞的通常方法是给客户的recvfrom调用设置一个超时，大概有这么两种方法：
1）使用信号SIGALRM为recvfrom设置超时。首先咱们为SIGALARM创建一个信号处理函数，并在每次调用前经过alarm设置一个5秒的超时。若是recvfrom被咱们的信号处理函数中断了，那就超时重发信息；若正常读到数据了，就关闭报警时钟并继续进行下去。

2）使用select为recvfrom设置超时
设置select函数的第五个参数便可。

 

3. udp报文乱序问题
所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为A、B、C，可是接收到的数据顺序却为：A、C、B。产生这个问题的缘由在于，每一个数据报走的路由并不同，有的路由顺畅，有的却拥塞，这致使每一个数据报到达目的地的顺序就不同了。UDP协议并不保证数据报的按序接收。

解决这个问题的方法就是发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后能够先检查数据报的序号，并将它们按序排队，造成有序的数据报。

 

4. udp流量控制问题
总所周知，TCP有滑动窗口进行流量控制和拥塞控制，反观UDP由于其特色没法作到。UDP接收数据时直接将数据放进缓冲区内，若是用户没有及时将缓冲区的内容复制出来放好的话，后面的到来的数据会接着往缓冲区放，当缓冲区满时，后来的到的数据就会覆盖先来的数据而形成数据丢失（由于内核使用的UDP缓冲区是环形缓冲区）。所以，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将由于来不及接收而发生信息丢失。

解决方法通常采用增大UDP缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。

int n = 220 * 1024; //220kB
setsocketopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n)); 这样咱们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽可能避免丢失数据的发生。
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