技術(shù)分析：基本 UDP 套接字編程

作者：chenhanzhun 2014-12-15 09:28:54

UDP 協(xié)議和 TCP 協(xié)議不同，它是一種面向無連接、不可靠的傳輸層協(xié)議。在基于 UDP 套接字編程中，數(shù)據(jù)傳輸可用函數(shù) sendto 和 recvfrom。

UDP 協(xié)議和 TCP 協(xié)議不同，它是一種面向無連接、不可靠的傳輸層協(xié)議。在基于 UDP 套接字編程中，數(shù)據(jù)傳輸可用函數(shù) sendto 和 recvfrom。以下是基本 UDP 套接字編程過程：

sendto 與 recvfrom 函數(shù)

這兩個函數(shù)的功能類似于 write 和 read 函數(shù)，可用無連接的套接字編程。其定義如下：

/* 函數(shù)功能：發(fā)送數(shù)據(jù)；  
 * 返回值：若成功則返回已發(fā)送的字節(jié)數(shù)，若出錯則返回-1；  
 * 函數(shù)原型：  
 */   
#include <sys/socket.h>   
   
ssize_t sendto(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags,   
                const struct sockaddr *destaddr, socklen_t addrlen);   
   
/* 說明：  
 * 該函數(shù)功能類似于write函數(shù)，除了有標(biāo)識符flags和目的地址信息之外，其他參數(shù)一樣；  
 *  
 * flags標(biāo)識符取值如下：  
 * （1）MSG_DONTROUTE   勿將數(shù)據(jù)路由出本地網(wǎng)絡(luò)  
 * （2）MSG_DONTWAIT    允許非阻塞操作  
 * （3）MSG_EOR         如果協(xié)議支持，此為記錄結(jié)束  
 * （4）MSG_OOB         如果協(xié)議支持，發(fā)送帶外數(shù)據(jù)  
 *  
 * 若sendto成功，則只是表示已將數(shù)據(jù)無錯誤的發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，并不能保證正確到達(dá)對端；  
 * 該函數(shù)通過指定目標(biāo)地址允許在無連接的套接字之間發(fā)送數(shù)據(jù)（例如UDP套接字）；  
 */   
   
 /* 函數(shù)功能：接收數(shù)據(jù)；  
  * 返回值：以字節(jié)計(jì)數(shù)的消息長度，若無可用消息或?qū)Ψ揭呀?jīng)按序結(jié)束則返回0，若出錯則返回-1；  
  * 函數(shù)原型：  
  */   
#include <sys/socket.h>   
   
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags,   
                struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);   
 /* 說明：  
  * 該函數(shù)功能與read類似；  
  * 若addr為非空時，它將包含數(shù)據(jù)發(fā)送者的套接字地址；  
  *  
  * flags標(biāo)識符取值如下：  
  * （1）MSG_WAITALL     等待所有數(shù)據(jù)可用  
  * （2）MSG_DONTWAIT    允許非阻塞操作  
  * （3）MSG_PEEK        查看已讀取的數(shù)據(jù)  
  * （4）MSG_OOB         如果協(xié)議支持，發(fā)送帶外數(shù)據(jù)  
  */

基于 UDP 套接字編程

下面我們使用 UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單的功能，客戶端從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取數(shù)據(jù)并把它發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)回射給客戶端，然后客戶端收到從服務(wù)器回射的數(shù)據(jù)把它顯示到標(biāo)準(zhǔn)輸出。其功能實(shí)現(xiàn)如下圖所示：

服務(wù)器程序

/* UDP 服務(wù)器 */   
#include <string.h>   
#include <stdio.h>   
#include <unistd.h>   
#include <stdlib.h>   
#include <sys/socket.h>   
#include <netinet/in.h>   
   
#define SERV_PORT 9877 /* 通用端口號 */   
   
extern void err_sys(const char *, ...);   
extern void dg_echo(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);   
   
int main(int argc, char **argv)   
{   
    int sockfd;   
    int err;   
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;   
   
    /* 初始化服務(wù)器地址信息 */   
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));   
    servaddr.sin_family = AF_INET;   
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);   
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   
   
    /* 創(chuàng)建套接字，并將服務(wù)器地址綁定到該套接字上 */   
    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)   
        err_sys("socket error");   
    err =bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));   
    if(err < 0)   
        err_sys("bind error");   
    /* 服務(wù)器處理函數(shù)：讀取套接字文本行，并把它回射給客戶端 */   
    dg_echo(sockfd, (struct sockaddr*) &cliaddr, sizeof(cliaddr));   
   
}

處理函數(shù)

#include    "unp.h"   
   
void   
dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen)   
{   
    int         n;   
    socklen_t   len;   
    char        mesg[MAXLINE];   
   
    for ( ; ; ) {   
        len = clilen;   
        n = Recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);   
   
        Sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);   
    }   
}

#p#客戶端程序

/* UDP 客戶端 */   
#include <string.h>   
#include <stdio.h>   
#include <unistd.h>   
#include <stdlib.h>   
#include <sys/socket.h>   
#include <netinet/in.h>   
#include <arpa/inet.h>   
   
#define SERV_PORT 9877 /* 通用端口號 */   
   
extern void err_sys(const char *, ...);   
extern void err_quit(const char *, ...);   
extern void dg_cli(FILE *fd, int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);   
   
int main(int argc, char **argv)   
{   
    int                 sockfd;   
    struct sockaddr_in  servaddr;   
   
    if (argc != 2)   
        err_quit("usage: udpcli <IPaddress>");   
   
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));   
    servaddr.sin_family = AF_INET;   
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);   
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);   
   
    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)   
        err_sys("socket err");   
/* 客戶端處理函數(shù)：從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀入文本行，發(fā)送給服務(wù)器；接收來自服務(wù)器的回射文本，并把它顯示到標(biāo)準(zhǔn)輸出 */   
    dg_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));   
   
    exit(0);   
}

客戶端處理函數(shù)

#include    "unp.h"   
   
void   
dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, socklen_t servlen)   
{   
    int n;   
    char    sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];   
   
    while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {   
/* 把從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取的文本行發(fā)送給服務(wù)器套接字 */   
        Sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);   
/* 接收來自服務(wù)器回射的文本行 */   
        n = Recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, NULL, NULL);   
   
        recvline[n] = 0;    /* null terminate */   
        Fputs(recvline, stdout);   
    }   
}

 $./serv &   
[1] 17911   
$ ./client 127.0.0.1   
sending text based on UDP   
sending text based on UDP   
goodbyte..   
goodbyte..

數(shù)據(jù)報丟失

由于 UDP 是一種不可靠的傳輸協(xié)議。在上面的客戶端 / 服務(wù)器程序中，若數(shù)據(jù)報在傳輸?shù)倪^程中丟失，那么客戶端就是阻塞于 dg_cli 處理函數(shù)中的 recvfrom 函數(shù)調(diào)用，等待一個永遠(yuǎn)都不會達(dá)到的服務(wù)器應(yīng)答。也有可能是，客戶端數(shù)據(jù)報成功到達(dá)服務(wù)器，但是服務(wù)器的應(yīng)答數(shù)據(jù)報丟失，同樣，客戶端也將永遠(yuǎn)阻塞于 recvfrom 函數(shù)調(diào)用。一般來說，會給客戶端 recvfrom 函數(shù)調(diào)用設(shè)置一個超時時鐘，但是超時時鐘并不能確定是客戶端數(shù)據(jù)報不能到達(dá)服務(wù)器還是服務(wù)器應(yīng)答不能到達(dá)客戶端。所以我們可以采用驗(yàn)證接收到的響應(yīng)。即在 recvfrom 函數(shù)調(diào)用以返回?cái)?shù)據(jù)報發(fā)送者的 IP 地址和端口號，保留來自數(shù)據(jù)報所發(fā)往服務(wù)器的應(yīng)答。

UDP 中使用 connect 函數(shù)

在沒有啟動 UDP 服務(wù)器的情況下，客戶端鍵入文本行之后，并不會回顯該文本行。此時客戶端永遠(yuǎn)阻塞于它的 recvfrom 調(diào)用，等待一個永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)的服務(wù)器應(yīng)答。由于服務(wù)器沒有啟動，因此會響應(yīng)一個端口不可到達(dá)的 ICMP 錯誤消息(即異步錯誤)，但是該 ICMP 錯誤消息并不會到達(dá)客戶端進(jìn)程，因此客戶端進(jìn)程根本不知道發(fā)生什么，一直阻塞于它的 recvfrom 調(diào)用。為了能使這個異步錯誤到達(dá)客戶端進(jìn)程，我們可以在 UDP 中調(diào)用 connect 函數(shù)，使其成為一個已連接的 UDP 套接字，但是該鏈接不會像 TCP 那樣引起三次握手過程。內(nèi)核只是檢查是否存在立即可知的錯誤，并記錄對端的 IP 地址和端口號，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。

下面要區(qū)分未連接 UDP 套接字和已連接 UDP 套接字：

● 未連接 UDP 套接字：新創(chuàng)建 UDP 套接字默認(rèn)為該情況;

● 已連接 UDP 套接字：對 UDP 套接字調(diào)用 connect 函數(shù)的結(jié)果;

已連接 UDP 套接字相對于未連接 UDP 套接字會有以下的變化：

1、不能給輸出操作指定目的 IP 地址和端口號(因?yàn)檎{(diào)用 connect 函數(shù)時已經(jīng)指定)，即不能使用 sendto 函數(shù)，而是使用 write 或 send 函數(shù)。寫到已連接 UDP 套接字上的內(nèi)容都會自動發(fā)送到由 connect 指定的協(xié)議地址;

2、不必使用 recvfrom 函數(shù)以獲悉數(shù)據(jù)報的發(fā)送者，而改用 read、recv 或 recvmsg 函數(shù)。在一個已連接 UDP 套接字上，由內(nèi)核為輸入操作返回的數(shù)據(jù)報只有那些來自 connect 函數(shù)所指定的協(xié)議地址的數(shù)據(jù)報。目的地為這個已連接 UDP 套接字的本地協(xié)議地址，發(fā)源地不是該套接字早先 connect 到的協(xié)議地址的數(shù)據(jù)報，不會投遞到該套接字。即只有發(fā)源地的協(xié)議地址與 connect 所指定的地址相匹配才可以把數(shù)據(jù)報傳輸?shù)皆撎捉幼帧＿@樣已連接 UDP 套接字只能與一個對端交換數(shù)據(jù)報;

3、由已連接 UDP 套接字引發(fā)的異步錯誤會返回給它們所在的進(jìn)程，而未連接 UDP 套接字不會接收任何異步錯誤;

UDP 客戶端進(jìn)程或服務(wù)器進(jìn)程只在使用自己的 UDP 套接字與確定的唯一對端通信時，才可以調(diào)用 connect 函數(shù)。調(diào)用 connect 函數(shù)的通常是 UDP 客戶端。以下是調(diào)用 connect 函數(shù)的客戶端處理函數(shù)：

#include    "unp.h"   
   
void   
dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, socklen_t servlen)   
{   
    int     n;   
    char    sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];   
   
    Connect(sockfd, (SA *) pservaddr, servlen);   
   
    while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {   
   
        Write(sockfd, sendline, strlen(sendline));   
   
        n = Read(sockfd, recvline, MAXLINE);   
   
        recvline[n] = 0;    /* null terminate */   
        Fputs(recvline, stdout);   
    }   
}

此時若不啟動服務(wù)器，只啟動客戶端，并鍵入文本行時，客戶端會接收到異步錯誤。

$ ./client 127.0.0.1   
message...   
read error: Connection refused

責(zé)任編輯：林琳來源： CSDN博客

UDP

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技術(shù)分析：基本 UDP 套接字編程