孙其功陪你学之--linux网络编程之UDP协议

来源：互联网发布：软件信息服务业编辑：程序博客网时间：2024/04/28 21:12

UDP是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序的检查与排序由应用层完成，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP 协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。

UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方（可以是客户端或服务器端）将UDP数据包通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口号都代表动态端口。

数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到8192字节。

UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此UDP协议可以检测是否出错。这与TCP协议是不同的，后者要求必须具有校验值。

许多链路层协议都提供错误检查，包括流行的以太网协议，也许你想知道为什么UDP也要提供检查和校验。其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道可能不提供错误检测。虽然UDP提供有错误检测，但检测到错误时，UDP不做错误校正，只是简单地把损坏的消息段扔掉，或者给应用程序提供警告信息。

UDP Helper是实现对指定UDP端口广播报文的中继转发，即将指定UDP端口的广播报文转换为单播报文发送给指定的服务器，起到中继的作用.

一、下图是典型的UDP客户端/服务器通讯过程

下面依照通信流程，我们来实现一个UDP回射客户/服务器

#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);

当套接字处于“已连接”的状态时，才可以使用send，当flags = 0 时 send 与 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 与 recvfrom 的关系与 send 与 sendto 的关系一致。

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    > File Name: echoser_udp.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > 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;
}

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    > File Name: echocli_udp.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > 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;
}

编译运行server，在两个终端里各开一个client与server交互，可以看到server具有并发服务的能力。用Ctrl+C关闭server，然后再运行server，此时client还能和server联系上。和前面TCP程序的运行结果相比较，我们可以体会无连接的含义。

二、UDP编程注意点

1、UDP报文可能会丢失、重复
2、UDP报文可能会乱序
3、UDP缺乏流量控制
4、UDP协议数据报文截断
5、recvfrom返回0，不代表连接关闭，因为udp是无连接的。
6、ICMP异步错误
7、UDP connect
8、UDP外出接口的确定

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现，即123点所提到的。

对于第4点，可以写个小程序测试一下：

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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是报式协议，即若一次性接收的空间小于发来的数据，有可能造成报文截断，
         * 但一定没有tcp的粘包问题  */
        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;
}

上述程序是自己发送数据给自己，发送了4个字节，但我们只提供1个字节的缓冲区recvbuf，第一次recvfrom 读取一个字节，但接下去循环却读不到剩下的数据了，因为udp 是报式协议，如果一次性接收的缓冲区小于发来的数据，有可能造成报文截断，反观tcp流式协议，可以一次读取一个数据包的一部分，也可以一次性读取多个数据包，但这也正是其会造成粘包问题的来源，所以也说udp 协议不会有粘包问题，因为一次就接收一个消息。输出如下：

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

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

接收了一个字符之后，再次recvfrom 就阻塞了。

对于第5点，如果我们使用sendto 发送的数据大小为0，则发送给对方的是只含有各层协议头部的数据帧，recvfrom 会返回0，但并不代表对方关闭连接，因为udp 本身没有连接的概念。

第678点合起来一起讲，可以看到我们的客户端程序现在没有调用connect，不运行服务器程序，直接运行客户端程序，查看现象：

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

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

当我们在键盘敲入几个字符，sendto只是把Buf的数据拷贝到sock对应的缓冲区中，此时服务器未开启，协议栈返回一个ICMP异步错误，但因为前面没有调用connect“建立”一个连接，则recvfrom时不能收到这个错误而一直阻塞。现在我们在while 循环的外面添加一句：connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)); 再次测试一下：

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

此时recvfrom 就能接收到这个错误而返回了，并打印错误提示。

其实connect 并没有真正建立一个连接，即没有3次握手过程，只是维护了一种状态，绑定了远程地址，因为如此在调用sendto 时也可以不指定远程地址了，如 sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, NULL, 0); 甚至也可以使用send 函数

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

假设现在客户端有多个ip地址，由connect 或 sendto 函数提供的远程地址的参数，系统会选择一个合适的出口，比如远程ip 是192.168.2.10, 而客户端现在的ip 有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么会自动选择192.168.2.75 这个ip 出去

转自http://blog.csdn.net/simba888888/article/details/9077455