Linux编程之UDP SOCKET全攻略
这篇文章将对linux下udp socket编程重要知识点进行总结，无论是开发人员应知应会的，还是说udp socket的一些偏僻知识点，本文都会讲到。尽可能做到，读了一篇文章之后，大家对udp socket有一个比较全面的认识。本文分为两个专题，第一个是常用的upd socket框架，第二个是一些udp socket并不常用但又相当重要的知识点。
一、基本的udp socket编程
1. UDP编程框架
要使用UDP协议进行程序开发，我们必须首先得理解什么是什么是UDP？这里简单概括一下。
UDP（user datagram protocol）的中文叫用户数据报协议，属于传输层。UDP是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接把我要发的数据报发给对方。所以UDP适用于一次传输数据量很少、对可靠性要求不高的或对实时性要求高的应用场景。正因为UDP无需建立类如三次握手的连接，而使得通信效率很高。
UDP的应用非常广泛，比如一些知名的应用层协议（SNMP、DNS）都是基于UDP的，想一想，如果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，因为这会产生明显的卡顿。所以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没关系的，我们再发起一个查询就好了，因为丢包的情况不多，这样总比每次查询都卡顿一下更容易让人接受吧。
UDP通信的流程比较简单，因此要搭建这么一个常用的UDP通信框架也是比较简单的。以下是UDP的框架图。
由以上框图可以看出，客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。
2. UDP程序设计常用函数
#include#include int socket(int domain, int type, int protocol);
参数domain:用于设置网络通信的域，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
对于该参数我们仅需熟记AF_INET和AF_INET6即可
小插曲：PF_XXX和AF_XXX
我们在看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？以下内容摘自《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：单个协议族可以支持多个地址族，PF_的值可以用来创建套接字，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从来就没实现过，而头文件
所以我在实际编程时还是偏向于使用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即可
返回值：成功：非负的文件描述符
失败：-1
#include#include 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，通过socket获得
第二个参数buf：发送缓冲区，往往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即可
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个主机哪个进程
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#include 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，通过socket获得
第二个参数buf：接收缓冲区，往往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即可
第五个参数src_addr:指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以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#include 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，通过socket获得
第二个参数my_addr:需要绑定的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
#includeint close(int fd);
close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。
3. 搭建UDP通信框架
server：
1 #include2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 7 #define SERVER_PORT 8888 8 #define BUFF_LEN 1024 9 10 void handle_udp_msg(int fd) 11 { 12 char buf[BUFF_LEN]; //接收缓冲区，1024字节 13 socklen_t len; 14 int count; 15 struct sockaddr_in clent_addr; //clent_addr用于记录发送方的地址信息 16 while(1) 17 { 18 memset(buf, 0, BUFF_LEN); 19 len = sizeof(clent_addr); 20 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 21 if(count == -1) 22 { 23 printf("recieve data fail!\n"); 24 return; 25 } 26 printf("client:%s\n",buf); //打印client发过来的信息 27 memset(buf, 0, BUFF_LEN); 28 sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count); //回复client 29 printf("server:%s\n",buf); //打印自己发送的信息给 30 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 31 32 } 33 } 34 35 36 /* 37 server: 38 socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close 39 */ 40 41 int main(int argc, char* argv[]) 42 { 43 int server_fd, ret; 44 struct sockaddr_in ser_addr; 45 46 server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP 47 if(server_fd < 0) 48 { 49 printf("create socket fail!\n"); 50 return -1; 51 } 52 53 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr)); 54 ser_addr.sin_family = AF_INET; 55 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址 56 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //端口号，需要网络序转换 57 58 ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr)); 59 if(ret < 0) 60 { 61 printf("socket bind fail!\n"); 62 return -1; 63 } 64 65 handle_udp_msg(server_fd); //处理接收到的数据 66 67 close(server_fd); 68 return 0; 69 }
client：
1 #include2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 7 #define SERVER_PORT 8888 8 #define BUFF_LEN 512 9 #define SERVER_IP "172.0.5.182" 10 11 12 void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst) 13 { 14 15 socklen_t len; 16 struct sockaddr_in src; 17 while(1) 18 { 19 char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n"; 20 len = sizeof(*dst); 21 printf("client:%s\n",buf); //打印自己发送的信息 22 sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len); 23 memset(buf, 0, BUFF_LEN); 24 recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len); //接收来自server的信息 25 printf("server:%s\n",buf); 26 sleep(1); //一秒发送一次消息 27 } 28 } 29 30 /* 31 client: 32 socket-->sendto-->revcfrom-->close 33 */ 34 35 int main(int argc, char* argv[]) 36 { 37 int client_fd; 38 struct sockaddr_in ser_addr; 39 40 client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 41 if(client_fd < 0) 42 { 43 printf("create socket fail!\n"); 44 return -1; 45 } 46 47 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr)); 48 ser_addr.sin_family = AF_INET; 49 //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); 50 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //注意网络序转换 51 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //注意网络序转换 52 53 udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr); 54 55 close(client_fd); 56 57 return 0; 58 }
以上的框架用于一台主机不同端口的UDP通信，现象如下：
我们先建立server端，等待服务；然后我们建立client端请求服务。
server端：
client端：
自己主机跟自己通信不是很爽，我们想跟其他主机通信怎么搞？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，在宏定义里填入自己想通信的serverip就可以了。现象如下：
server端：
client端：
这样我们就实现了主机172.0.5.183和172.0.5.182之间的网络通信。
UDP通用框架搭建完成，我们可以利用该框架跟指定主机进行通信了。
如果想学习UDP的基础知识，以上的知识就足够了；如果想继续深入学习一下UDP SOCKET一些高级知识（奇技淫巧），可以花点时间往下看。
二、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，但它仅仅用于表示确定了另一方的地址，并没有其他含义。
有了以上认识后，我们可以知道UDP套接字有以下区分：
1）未连接的UDP套接字
2）已连接的UDP套接字
对于未连接的套接字，也就是我们常用的的UDP套接字，我们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在调用sendto/recvfrom时确定的；
在一个未连接的UDP套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行以下六个步骤：
1）连接套接字
2）输出第一个数据报
3）断开套接字连接
4）连接套接字
5）输出第二个数据报
6）断开套接字连接
对于已连接的UDP套接字，必须先经过connect来向目标服务器进行指定，然后调用read/write进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在connect时确定的，也就是说，一旦conenct成功，我们就只能对该主机进行收发信息了。
已连接的UDP套接字给两个数据报调用write函数内核将执行以下三个步骤：
1）连接套接字
2）输出第一个数据报
3）输出第二个数据报
由此可以知道，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通信框架
具体框架代码不再给出了，因为跟上面不带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
因为UDP自身的特点，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，如果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。如果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一般方法是给客户的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。首先我们为SIGALARM建立一个信号处理函数，并在每次调用前通过alarm设置一个5秒的超时。如果recvfrom被我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函数的第五个参数即可。
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，但是接收到的数据顺序却为：A、C、B。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。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可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。
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因为其特点无法做到。UDP接收数据时直接将数据放进缓冲区内，如果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造成数据丢失（因为内核使用的UDP缓冲区是环形缓冲区）。因此，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将因为来不及接收而发生信息丢失。
解决方法一般采用增大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));
这样我们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽量避免丢失数据的发生。
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