【TCP/IP网络编程】：06基于UDP的服务器端/客户端
Glory_D 人气:4本篇文章简单描述了UDP传输协议的工作原理及特点。
理解UDP
UDP和TCP一样同属于TCP/IP协议栈的第二层，即传输层。
UDP套接字的特点
UDP的工作方式类似于传统的信件邮寄过程。寄信前应先在信封上填好寄信人和收信人的地址，之后贴上邮票放进邮筒即可。当然信件邮寄过程可能会发生丢失，我们也无法随时知晓对方是否已收到信件。也就是说信件是一种不可靠的传输方式，同样的，UDP所提供的也是一种不可靠的数据传输方式（以信件类比UDP只是通信形式上一致性，之前也以电话通信的方式类比了TCP的通信方式，而实际上从通信速度上来讲UDP通常是要快于TCP的；每次交换的数据量越大，TCP的传输速率就越接近于UDP）。因此，如果仅考虑可靠性，TCP显然由于UDP；但UDP在通信结构上较TCP更为简洁，通常性能也要优于TCP。
区分TCP和UDP最重要的标志是流控制，流控制赋予了TCP可靠性的特点，也说TCP的生命在于流控制。
UDP内部工作原理
与TCP不同，UDP不会进行流控制，其在数据通信中的作用如下图所示。可以看出，IP的作用就是让离开主机B的UDP数据包准确传递到主机A，而UDP则是把UDP包最终交给主机A的某一UDP套接字。UDP最重要的作用就是根据端口号将传输到主机的数据包交付给最终的UDP套接字。
数据包传输过程UDP和IP的作用
UDP的高效使用
TCP用于对可靠性要求较高的场景，比如要传输一个重要文件或是压缩包，这种情况往往丢失一个数据包就会引起严重的问题；而对于多媒体数据来说，丢失一部分数据包并没有太大问题，因为实时性更为重要，速度就成为了重要考虑因素。TCP慢于UDP主要在于以下两点：
- 收发数据前后进行的连接及清理过程
- 收发数据过程中为保证可靠性而添加的流控制
因此，如果收发的数据量小但需要频繁的连接时，UDP比TCP更为高效。
基于UDP的服务器端/客户端
和TCP不同，UDP服务器端/客户端并不需要在连接状态下交换数据，UDP的通信只有创建套接字和数据交换的过程。TCP套接字是一对一的关系，且服务器端还需要一个额外的TCP套接字用于监听连接请求；而UDP通信中，无论服务器端还是客户端都只需要一个套接字即可，且可以实现一对多的通信关系。下图展示了一个UDP套接字与两台主机进行数据交换的过程。
UDP套接字通信模型
基于UDP的数据I/O函数
TCP套接字建立连接之后，数据传输过程便无需额外添加地址信息，因为TCP套接字会保持与对端的连接状态；而UDP则没有这种连接状态，因此每次数据交换过程都需要添加目标地址信息。下面是UDP套接字数据传输函数，与TCP传输函数最大的区别在于，该函数需要额外添加传递目标的地址信息。
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
-> 成功时返回传输的字节数，失败时返回-1
由于UDP数据的发送端并不固定，因此，UDP套接字的数据接收函数定义了存储发送端地址信息的数据结构。
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t addrlen);
-> 成功时返回接收的字节数，失败时返回-1
基于UDP的回声服务器端/客户端
UDP通信函数调用流程
UDP不同于TCP，不存在请求连接和受理连接的过程，因此某种意义上并没有明确的服务器端和客户端之分。如下是示例源码。
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include <sys/socket.h>
7
8 #define BUF_SIZE 30
9 void error_handling(char *message);
10
11 int main(int argc, char *argv[])
12 {
13 int serv_sock;
14 char message[BUF_SIZE];
15 int str_len;
16 socklen_t clnt_adr_sz;
17
18 struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
19 if(argc!=2){
20 printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
21 exit(1);
22 }
23
24 serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
25 if(serv_sock==-1)
26 error_handling("UDP socket creation error");
27
28 memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
29 serv_adr.sin_family=AF_INET;
30 serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
31 serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
32
33 if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)
34 error_handling("bind() error");
35
36 while(1)
37 {
38 clnt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);
39 str_len=recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0,
40 (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
41 sendto(serv_sock, message, str_len, 0,
42 (struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
43 }
44 close(serv_sock);
45 return 0;
46 }
47
48 void error_handling(char *message)
49 {
50 fputs(message, stderr);
51 fputc('\n', stderr);
52 exit(1);
53 }
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include <sys/socket.h>
7
8 #define BUF_SIZE 30
9 void error_handling(char *message);
10
11 int main(int argc, char *argv[])
12 {
13 int sock;
14 char message[BUF_SIZE];
15 int str_len;
16 socklen_t adr_sz;
17
18 struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
19 if(argc!=3){
20 printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
21 exit(1);
22 }
23
24 sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
25 if(sock==-1)
26 error_handling("socket() error");
27
28 memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
29 serv_adr.sin_family=AF_INET;
30 serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
31 serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
32
33 while(1)
34 {
35 fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
36 fgets(message, sizeof(message), stdin);
37 if(!strcmp(message,"q\n") || !strcmp(message,"Q\n"))
38 break;
39
40 sendto(sock, message, strlen(message), 0,
41 (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
42 adr_sz=sizeof(from_adr);
43 str_len=recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
44 (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);
45
46 message[str_len]=0;
47 printf("Message from server: %s", message);
48 }
49 close(sock);
50 return 0;
51 }
52
53 void error_handling(char *message)
54 {
55 fputs(message, stderr);
56 fputc('\n', stderr);
57 exit(1);
58 }
示例代码运行结果
UDP客户端套接字的地址分配
从上述示例源码来看，服务器端UDP套接字需要手动bind地址信息，而客户端UDP套接字则无此过程。我们已经知道，客户端TCP套接字是在调用connect函数的时机，由操作系统为我们自动绑定了地址信息；而客户端UDP套接字同样存在该过程，如果没有手动bind地址信息，则在首次调用sendto函数时自动分配IP和端口号等地址信息。和TCP一样，IP是主机IP，端口号则随机分配（客户的临时端口是在第一次调用sendto 时一次性选定，不能改变；然而客户的IP地址却可以随客户发送的每个UDP数据报而变动（如果客户没有绑定一个具体的IP地址到其套接字上）。其原因在于如果客户主机是多宿的，客户有可能在两个目的地之间交替选择）。
UDP数据传输特性和connect函数调用
之前我们介绍了TCP传输数据不存在数据边界，下面将会验证UDP数据传输存在数据边界的特性，并介绍UDP传输调用connect函数的作用。
存在数据边界的UDP套接字
UDP协议具有数据边界，这就意味着数据交换的双方输入函数和输出函数必须一一对应，这样才能保证可完整接收数据。如下是验证UDP存在数据边界的示例源码。
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include <sys/socket.h>
7
8 #define BUF_SIZE 30
9 void error_handling(char *message);
10
11 int main(int argc, char *argv[])
12 {
13 int sock;
14 char message[BUF_SIZE];
15 struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
16 socklen_t adr_sz;
17 int str_len, i;
18
19 if(argc!=2){
20 printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
21 exit(1);
22 }
23
24 sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
25 if(sock==-1)
26 error_handling("socket() error");
27
28 memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
29 my_adr.sin_family=AF_INET;
30 my_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
31 my_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
32
33 if(bind(sock, (struct sockaddr*)&my_adr, sizeof(my_adr))==-1)
34 error_handling("bind() error");
35
36 for(i=0; i<3; i++)
37 {
38 sleep(5); // delay 5 sec.
39 adr_sz=sizeof(your_adr);
40 str_len=recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
41 (struct sockaddr*)&your_adr, &adr_sz);
42
43 printf("Message %d: %s \n", i+1, message);
44 }
45 close(sock);
46 return 0;
47 }
48
49 void error_handling(char *message)
50 {
51 fputs(message, stderr);
52 fputc('\n', stderr);
53 exit(1);
54 }
55
56 /*
57 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# gcc bound_host1.c -o host1
58 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# ./host1
59 Usage : ./host1 <port>
60 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# ./host1 9190
61 Message 1: Hi!
62 Message 2: I'm another UDP host!
63 Message 3: Nice to meet you
64 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip#
65
66 */
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include <sys/socket.h>
7
8 #define BUF_SIZE 30
9 void error_handling(char *message);
10
11 int main(int argc, char *argv[])
12 {
13 int sock;
14 char message[BUF_SIZE];
15 struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
16 socklen_t adr_sz;
17 int str_len, i;
18
19 if(argc!=2){
20 printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
21 exit(1);
22 }
23
24 sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
25 if(sock==-1)
26 error_handling("socket() error");
27
28 memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
29 my_adr.sin_family=AF_INET;
30 my_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
31 my_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
32
33 if(bind(sock, (struct sockaddr*)&my_adr, sizeof(my_adr))==-1)
34 error_handling("bind() error");
35
36 for(i=0; i<3; i++)
37 {
38 sleep(5); // delay 5 sec.
39 adr_sz=sizeof(your_adr);
40 str_len=recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
41 (struct sockaddr*)&your_adr, &adr_sz);
42
43 printf("Message %d: %s \n", i+1, message);
44 }
45 close(sock);
46 return 0;
47 }
48
49 void error_handling(char *message)
50 {
51 fputs(message, stderr);
52 fputc('\n', stderr);
53 exit(1);
54 }
55
56 /*
57 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# gcc bound_host1.c -o host1
58 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# ./host1
59 Usage : ./host1 <port>
60 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip# ./host1 9190
61 Message 1: Hi!
62 Message 2: I'm another UDP host!
63 Message 3: Nice to meet you
64 root@my_linux:/home/swyoon/tcpip#
65
66 */
示例代码运行结果
调用connect函数的UDP套接字
TCP套接字需要手动注册传输数据的目标IP和端口号，而UDP则是调用sendto函数时自动完成目标地址信息的注册，该过程如下
- 第一阶段：向UDP套接字注册目标IP和端口号
- 第二阶段：传输数据
- 第三阶段：删除UDP套接字中注册的目标地址信息
每次调用sendto函数都会重复执行以上过程，这也是为什么同一个UDP套接字可和不同目标进行数据交换的原因。像UDP这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，而TCP这种注册了目标地址信息的套接字称为已连接connected套接字。当需要和同一目标主机进行长时间通信时，UDP的这种无连接的特点则会非常低效。通过调用connect函数使UDP变为已连接套接字则会有效改善这一点，因为上述的第一阶段和第三阶段会占用整个通信过程近1/3的时间。
针对UDP套接字调用connect函数并非真的与目标UDP套接字建立连接，仅仅是向本端UDP套接字注册了目标IP和端口号信息而已。已连接的UDP套接字不仅可以使用之前的sendto和recvfrom函数，还可以使用没有地址信息参数的write和read函数。修改之前的ucheo_client代码为已连接UDP套接字如下。
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <arpa/inet.h>
6 #include <sys/socket.h>
7
8 #define BUF_SIZE 30
9 void error_handling(char *message);
10
11 int main(int argc, char *argv[])
12 {
13 int sock;
14 char message[BUF_SIZE];
15 int str_len;
16 socklen_t adr_sz;
17
18 struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
19 if(argc!=3){
20 printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
21 exit(1);
22 }
23
24 sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
25 if(sock==-1)
26 error_handling("socket() error");
27
28 memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
29 serv_adr.sin_family=AF_INET;
30 serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
31 serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
32
33 connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
34
35 while(1)
36 {
37 fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
38 fgets(message, sizeof(message), stdin);
39 if(!strcmp(message,"q\n") || !strcmp(message,"Q\n"))
40 break;
41 /*
42 sendto(sock, message, strlen(message), 0,
43 (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
44 */
45 write(sock, message, strlen(message));
46
47 /*
48 adr_sz=sizeof(from_adr);
49 str_len=recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
50 (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);
51 */
52 str_len=read(sock, message, sizeof(message)-1);
53
54 message[str_len]=0;
55 printf("Message from server: %s", message);
56 }
57 close(sock);
58 return 0;
59 }
60
61 void error_handling(char *message)
62 {
63 fputs(message, stderr);
64 fputc('\n', stderr);
65 exit(1);
66 }
关于recvfrom函数的讨论
recvfrom是一个阻塞函数，那么该函数的返回时机是怎样的？
显然如果客户端正常收到应答数据，recvfrom自然可以返回。但如果发生其他情况呢？
对端调用close函数关闭UDP套接字时是否会发送EOF信息，本端recvfrom函数又会有什么动作吗？是否会像TCP套接字的read函数那样收到EOF信息而返回0？
由于UDP套接字无连接的特性，即使对端调用close函数关闭套接字，本端也不会有任何感知，recvfrom自然不会返回。那如果是调用了connect函数的已连接UDP套接字调用close函数呢，服务端recvfrom函数是否会返回？
仍然不会。因为调用connect函数的已连接UDP套接字并非真的像TCP套接字那样建立了连接，仅仅是为了数据交换的便利性向本端UDP套接字注册了目标地址信息而已；而close函数并不能感知到这些，也不会向TCP那样向对端发送文件结束标志EOF。因此，正常情况下，只有接收到发送端数据信息的recvfrom函数才会退出阻塞状态而返回。
如果一个客户数据报丢失（譬如说，被客户主机与服务器主机之间的某个路由器丢弃），客户将永远阻塞于recvfrom 调用，等待一个永远不会到达的服务器应答。类似地，如果客户数据报到达服务器，但是服务器的应答丢失了，客户也将永远阻塞于recvfrom 调用。防止这样永久阻塞的一般方法是给客户的recvfrom 调用设置一个超时。
关于recvfrom函数和UDP协议的进一步内容可以参考《UNIX网络编程》等相关书籍。
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