UDP协议详解

一、UDP概述

  UDP 是 User Datagram Protocol 的简称， 中文名是用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的传输层协议，在网络中用于处理数据包，是一种无连接的协议。UDP不提供可靠性的传输，它只是把应用程序传给 IP 层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

1、UDP头部（标准长度8字节）

  UDP数据包每次能够传输的最大长度 = MTU(1500B) - IP头(20B) -UDP头（8B）= 1472Bytes。

2、UDP协议的特点

【UDP的特点】：

• 每个分组都携带完整的目的地址；

• 发送数据之前不需要建立链接；

• 不对数据包的顺序进行检查，不能保证分组的先后顺序；

• 不进行分组出错的恢复和重传；

• 不保证数据传输的可靠性。

  在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP 协议数据包丢失会比较严重。但是由于 UDP 的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用 UDP 较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的 ICQ 和 QQ 就是使用的 UDP。

【使用UDP网络发送数据注意事项】：

• 前提：必须要保证他们在同一个局域网中，要在一个网段才行，跨网就不能直接通讯；
• 虚拟机改成桥接模式就和windows网段一样了；
• 互相ping通。

二、UDP编程框架

  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）。

三、UDP程序设计常用函数

1、sendto()函数

#include 
#include 
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, 
				int flags, const struct sockaddr *dest_addr, 
				socklen_t addrlen);

• 功能： 向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据，可以发送 0 长度的 UDP 数据包。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • 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；
  • len：发送缓冲区的大小，单位是字节；
  • flags：填0即可；
  • 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；
  • 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。

2、recvfrom()函数

#include 
#include 
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, 
				int flags, struct sockaddr *src_addr, 
				socklen_t *addrlen);

• 功能： 接收 UDP 数据，并将源地址信息保存在 from 指向的结构中。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • buf：接收数据缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据；
  • len：接收缓冲区的大小，单位是字节；
  • flags：填0即可；
  • 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；
  • 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。

3、bind()函数

#include 
#include 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, 
		socklen_t addrlen);

• 功能： 将本地协议地址与 sockfd 绑定，这样 ip、port 就固定了。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • my_addr：需要绑定的IP和端口；
  • addrlen：my_addr的结构体的大小；
• 返回值： 成功：0，失败： -1。

4、close()函数

#include 
int close(int fd);

  close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。

四、UDP程序设计demo

【服务器】：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned short port = 48570;     // 本地端口
    if(argc > 1)
    {
        port = atoi(argv[1]);
    }

    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 创建套接字
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }
    
    // 本地网络地址
    struct sockaddr_in my_addr;
    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));   // 清空结构体内容
    my_addr.sin_family = AF_INET;   // ipv4
    my_addr.sin_port = htons(port);   // 端口转换
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0
    
    printf("Binding server to port %d\n", port);
    int err_log;
    err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定
    if(err_log != 0)
    {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(-1);
    }
    
    printf("receive data...\n");
    while(1)
    {
        int recv_len;
        char recv_buf[512] = "";
        struct sockaddr_in client_addr;
        char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; // INET_ADDRSTRLEN=16
        socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); 
        
        // 接受数据
        recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);
        printf("\nip:%s ,port:%d\n",cli_ip, ntohs(client_addr.sin_port));
        printf("data(%d):%s\n", recv_len, recv_buf);
    }
    
    close(sockfd);
    return 0;
}

【客户端】：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned short port = 8080; // 服务器端口
    char *server_ip = "192.168.202.1"; // 服务器ip地址
    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建套接字
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in dest_addr; // 初始化套接字
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    dest_addr.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET, server_ip, &dest_addr.sin_addr); // ip地址转换
    printf("send data to UDP server %s: %d\n", server_ip, port);
    while (1)
    {
        char send_buf[512];
        fgets(send_buf, sizeof(send_buf), stdin); // 从标准输入读数据
        send_buf[strlen(send_buf) - 1] = '\0'; // 以\0结尾
        // 发送数据
        int len = sendto(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
        printf("len = %d\n", len);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

五、UDP协议相关问题

1、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。

【问题解决方法】：

• 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；
• 使用select为recvfrom设置超时。

2、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。

【问题解决方法】：

  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。

3、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。

【问题解决方法】：

  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。

六、UDP如何保证可靠传输

  由于在传输层UDP已经是不可靠的连接，那就要在应用层自己实现一些保障可靠传输的机制。简单来讲，要使用UDP来构建可靠的面向连接的数据传输，就要实现类似于TCP协议的：

• 超时重传（定时器）【解决报文丢失问题】；

• 有序接受 （添加包序号）【解决包乱序问题】；

• 应答确认 （Seq/Ack应答机制）【保证可靠性】；

• 滑动窗口流量控制等机制 （滑动窗口协议）【解决流量控制问题】。

目前已经有一些实现UDP可靠传输的机制，比如UDT（UDP-based Data Transfer Protocol）：
  基于UDP的数据传输协议（UDP-based Data Transfer Protocol，简称UDT）是一种互联网数据传输协议。UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，而互联网上的标准数据传输协议TCP在高带宽长距离网络上性能很差。 顾名思义，UDT建于UDP之上，并引入新的拥塞控制和数据可靠性控制机制。UDT是面向连接的双向的应用层协议。它同时支持可靠的数据流传输和部分可靠的数据报传输。 由于UDT完全在UDP上实现，它也可以应用在除了高速数据传输之外的其它应用领域，例如点到点技术（P2P），防火墙穿透，多媒体数据传输等等。

七、UDP客户端使用bind()有什么用处？

  服务器和客户端都可以使用bind()，bind()并不是服务器的专利。

  UDP服务器调用了bind()函数为服务器套接字绑定本地地址/端口，这样使得客户端的能知道它发数据的目的地址/端口，服务器如果单单接收客户端的数据，或者先接收客户端的数据(此时通过recvfrom()函数获取到了客户端的地址信息/端口)再发送数据，客户端的套接字可以不绑定自身的地址/端口，因为UDP在创建套接字后直接使用sendto()，隐含操作是，在发送数据之前操作系统会为该套接字随机分配一个合适的UDP端口，将该套接字和本地地址信息绑定。

  但是，如果服务器程序就绪后一上来就要发送数据给客户端，那么服务器就需要知道客户端的地址信息和端口，那么就不能让客户端的地址信息和端口号由客户端所在操作系统分配，而是要在客户端程序指定了。怎么指定，那就是调用用bind()函数。