TCP/IP网络编程 学习笔记_7 --基于UDP的服务端/客服端

理解UDP

• UDP套接字的特点：在笔记2中讲套接字类型有提，类似信件或邮件的传输。UDP在数据传输过程中可能丢失，如果只考虑可靠性，TCP的确比UDP好。但UDP在结构上比TCP更简洁。UDP没有ACK，SEQ那样的操作，因此，UDP的性能有时比TCP高出很多。编程中实现UDP也比TCP简单。另外，虽然UDP是不可靠的数据传输，但也不会像想象中那么频繁地发生数据丢失。因此，在更重视性能而非可靠性的情况下(如传输视频，音频时)，UDP是一种很好的选择。而如果是传递压缩文件则必须要用TCP，因为压缩文件只要丢失一部分就很难解压了。
  注：TCP的速度无法超过UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP的传输速率就越接近UDP的传输速率。

• 实现基于UDP的服务端/客服端：
  1，UDP中的服务端和客服端没有连接过程，也就是说，不必调用TCP连接过程中调用的listen()和accept()函数。UDP中只有创建套接字的过程和数据交换过程。

  2，UDP服务端和客服端均只需1个套接字，就像邮筒一样，只需一个就可以向任意地址寄出信件。而TCP中，套接字之间要一一对应，若要向10个客服端提供服务，则除了守门的服务器套接字外(listen创建)，还需要10个服务器端套接字(accept创建)。

  3，基于UDP的数据I/O函数：
  创建好TCP套接字后，传输数据时无需再添加地址信息。因为TCP套接字与对方套接字一直保持着连接，它知道目标地址信息。但UDP套接字不会保持连接状态(UDP套接字只有简单的邮筒功能)，因此每次传输数据都要添加目标地址信息。这相当于寄信前在信件中填写地址。下面就来具体介绍下UDP中使用的2个传输数据的I/0函数，编写UDP程序最核心的部分就在于这两个函数。

  传输数据函数：

  ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

  sock：用于传输数据的UDP套接字文件描述符(句柄)
  buff：保存待传输数据的缓冲地址值
  nbytes：待传输的数据长度，以字节为单位
  flags：可选参数，若没有则传递0
  to：存有目标地址信息的sockaddr结构体变量的地址值
  addrlen：传递给参数to的地址值结构体变量长度

  接收数据函数：

  ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);

  sock：用于接收数据的UDP套接字文件描述符
  buff：保存接收数据的缓冲地址值
  nbytes：可接收的最大字节数
  flags：可选参数，若没有则传入0
  from：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址值
  addrlen：保存参数from的结构体变量长度的变量地址值

  4，实现基于UDP的回声服务端/客服端

////  main.cpp//  hello_server////  Created by app05 on 15-8-6.//  Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.//#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message);int main(int argc, const char * argv[]) {    int serv_sock;    char message[BUF_SIZE];    int str_len;    socklen_t clnt_adr_sz;    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;    if(argc != 2){        printf("usege : %s <port>\n", argv[0]);        exit(1);    }    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//UPD套接字    if (serv_sock == -1)        error_handling("UDP socket creation error");    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));    serv_adr.sin_family = AF_INET;    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)        error_handling("bind() error");    while (1)    {        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);        str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);        sendto(serv_sock, message, str_len, 0, (struct sockaddr *)&clnt_adr, clnt_adr_sz);    }    close(serv_sock); //while(1)死循环，这里其实没有意义，不会运行到这里    return 0;}void error_handling(char *message){    fputs(message, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

////  main.cpp//  hello_client////  Created by app05 on 15-8-6.//  Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.//#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024void error_handling(char *message);int main(int argc, const char * argv[]) {    int sock;    char message[BUF_SIZE];    int str_len;    socklen_t adr_sz;    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;    if (argc != 3) {        printf("usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);        exit(1);    }    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    if (sock == -1) {        error_handling("socket() error");    }    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));    serv_adr.sin_family = AF_INET;    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    while (1)    {        fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);        fgets(message, sizeof(message), stdin);        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))            break;        //tcp客服端调用connect函数会自动分配IP和端口号，同样udp调用sendto函数时自动分配IP和端口号        sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));        adr_sz = sizeof(from_adr);        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&from_adr, &adr_sz);        message[str_len] = 0;        printf("Message from server: %s", message);    }    close(sock);    return 0;}void error_handling(char *message){    fputs(message, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

存在数据边界的UDP套接字

前面讲过TCP数据传输中不存在边界，发送与接收数据I/O操作次数没有关系，而UDP则存在数据边界，发送与接收数据的调用次数必须完全一致，才能保证接收全部已发送数据。

////  main.cpp//  hello_server////  Created by app05 on 15-8-7.//  Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.//#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message);int main(int argc, const char * argv[]) {    int sock;    char message[BUF_SIZE];    struct sockaddr_in my_adr, your_adr;    socklen_t adr_sz;    int str_len, i;    if (argc != 2) {        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);        exit(1);    }    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    if(sock == -1)        error_handling("socket() error");    memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));    my_adr.sin_family = AF_INET;    my_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    my_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));    if(bind(sock, (struct sockaddr *)&my_adr, sizeof(my_adr)) == -1)        error_handling("bind() error");    //如果是tcp，客服端三次发来的数据，这里就可以一次接收完了。而UDP对应接收了三次。    for (i = 0; i < 3; i++) {        sleep(5);        adr_sz = sizeof(your_adr);        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&your_adr, &adr_sz);        printf("Message %d: %s \n", i + 1, message);    }    close(sock);    return 0;}void error_handling(char *message){    fputs(message, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

////  main.cpp//  hello_client////  Created by app05 on 15-8-7.//  Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.//#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message);int main(int argc, const char * argv[]) {    int sock;    char msg1[] = "Hi！";    char msg2[] = "My another UDP host！";    char msg3[] = "Nice to meet you";    struct sockaddr_in your_adr;    socklen_t your_adr_sz;    if (argc != 3) {        printf("Usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);        exit(1);    }    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    if(sock == -1)        error_handling("socket() error");    memset(&your_adr, 0, sizeof(your_adr));    your_adr.sin_family = AF_INET;    your_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    your_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0, (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));    sendto(sock, msg2, sizeof(msg2), 0, (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));    sendto(sock, msg3, sizeof(msg3), 0, (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));    close(sock);    return 0;}void error_handling(char *message){    fputs(message, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

已连接UDP套接字与未连接UDP套接字

1，TCP套接字中需注册待传输数据的目标IP和端口号(accept, connected)，而UDP中则无需注册。UDP是每次发送或接收数据重新分配的IP和端口号。因此，通过sendto函数传输数据的过程大致分为以下3个阶段。

• 第1阶段：向UDP套接字注册目标IP和端口号
• 第2阶段：传输数据
• 第3阶段：删除UDP套接字中注册的目标地址信息

每次调用sendto函数时都重复上述过程。因此可以利用同一UDP套接字向不同目标传输数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字。

2，显然，UDP套接字默认属于未连接套接字，但在有些情况下，这种做法效率不高，如：要与固定的某一主机发送多份数据，那么上述3个步骤要对应重复多次。其实我们可以省去第1个和第3个阶段，来提高效率。这就是在UDP中也用connected来注册目标IP和端口信息，之后就和TCP一样，每次调用sendto函数时只需传输数据。所以这时不仅可以使用sendto,recvfrom函数，也可以使用write,read函数进行通信。这种我们称为连接connected套接字。