【Linux】来写一个udp的服务端+客户端

来写一个udp的代码

1.socket编程接口

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)      
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
         socklen_t address_len);
// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
         socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
         socklen_t addrlen);

linux下一切皆文件，socket接口也不例外。其返回值本质上就是一个fd文件描述符，这样我们对网络的发送/接收操作，就转换成了对文件的写入/读取操作了

在这里面有一个比较重要的结构sockaddr需要说明一番

1.1 sockaddr

socket是一层抽象的网络编程接口，适用于各种底层网络协议，如IPv4/IPv6。同时，这个接口还可以用于系统内部的通信。这就实现了用一个接口来干两件事。

为此，就必须要在传值中进行一些修改。该接口新增了一个sockaddr，用来接收目标信息。这个值的参数可以是sockaddr_in/scokaddr_un/sockadd_in6之中的任意一个（需要强转指针）

sockaddr本身不存放任何信息。

这个参数可接收的结构体中，固定前16位就是用于标识符的。传到处理函数中，就会判断前16位中的标识符的类型，以确定传入参数的类型，再执行不同的实现

• 比如传入的scokaddr_un，前16位是AF_UNIX，那么当前使用的就是本地通信
• sockaddr_in是ipv4通信，sockaddr_in6是ipv6通信

你可能会有疑惑，既然sockaddr不存放信息，那为何不把这个参数设置为一个void*的指针？反正最后都是进了函数之后判断参数类型，void*指针也能达成目标呀

这个问题的答案很简单：当初设计这套接口的时候，C语言还不支持void*

---

1.2 存放位置

因为sockaddr_in这类的结构体，最终都需要被操作系统载入并实现网络操作。所以它们肯定是需要载入内核中的

但这并不意味着这类结构体是存放在内核里面的，而是存放在用户栈，用户态和内核态交换的时候，通过接口传值载入到内核的空间进行使用

2.server

了解了上面的信息，接下来，认识一下如果想建立一个udpserver，需要怎么操作吧！

以下是一个server的类，包含了端口、ip、socker fd三个基本信息

class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port,const string& ip="")
     : _port((uint16_t)port), _ip(ip), _sockfd(-1)
    {}

private:
    // 服务器端口号
    uint16_t _port;
    // 服务器ip地址
    string _ip;
    // 服务器socket fd信息
    int _sockfd;
};

2.1 创建套接字

这里需要用的是下面这个接口

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 第一个参数domain标识该socker的作用域

可以设置为本地，也可以设置为网络。支持如下参数

Name                Purpose                          Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)
AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)
AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)
AF_IPX              IPX - Novell protocols
AF_NETLINK          Kernel user interface device     netlink(7)
AF_X25              ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol   x25(7)
AF_AX25             Amateur radio AX.25 protocol
AF_ATMPVC           Access to raw ATM PVCs
AF_APPLETALK        Appletalk                        ddp(7)
AF_PACKET           Low level packet interface       packet(7)

因为我们要创建的是一个网络服务器，所以这里设置为AF_INET，也就是IPV4的服务

• 第二个参数type指代套接字的类型，决定了通信时的报文类型

这里支持流式（TCP）或者用户数据报（UDP），以及RAW原始格式（能够直接访问协议，方便debug）

SOCK_STREAM   Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. An out-of-band data  transmission  mechanism  may  be supported.

SOCK_DGRAM    Supports datagrams (connectionless, unreliable messages of a fixed maximum length).

 SOCK_RAW        Provides raw network protocol access.

更多支持的参数参考man手册

• 第三个参数指代协议，在网络应用中，设置为0即可

返回值是一个linux系统的文件描述符

RETURN VALUE
       On success, a file descriptor for the new socket is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

---

这样，我们就能写出第一行代码，以及对这个代码的返回值判断

_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (_sockfd < 0)
{
    logging(FATAL, "socket:%s:%d", strerror(errno), _sockfd);
    exit(1);
}

因为socket是文件描述符，为了规范，我们还可以在析构函数里面调用一下close

~UdpServer()
{
    close(_sockfd);
}

2.2 配置sockaddr_in

// 2. 绑定网络信息，指明ip+port
struct sockaddr_in local;
memset(&local,0,sizeof(local));//配置为 0

因为用的是ipv4的网络通信，所以这里需要初始化一个sockaddr_in类型

此时在vscode的代码补全中，可以看到4个成员，需要对它们赋值以配置服务器信息

首先是把协议家族设置为IPV4，端口配置为函数参数中的端口

// 协议家族，设置为ipv4
local.sin_family = AF_INET; 
// 端口，需要进行 本地->网络转换
local.sin_port = htons(_port);

随后配置ip

// 如果初始化时候的ip为空，则调用INADDR_ANY代表任意ip。否则对传入的ip进行转换后赋值
local.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? htonl(INADDR_ANY) : inet_addr(ip_.c_str());

这里采用了?:三目操作符，如果类构造的时候传入的ip是空（没有配置ip）那就直接设置为任意ip，否则传入成员变量；

这样对sockaddr_in的配置就完成了。

2.2.1 inet_addr

这里需要使用inet_addr函数对传入的字符串类型的ip（如192.168.0.1）进行转换

in_addr_t inet_addr(const char *cp);//对字符串ip进行转换

因为对于网络来说，它并不认识字符串类型的ip，而是要用网络字节流规定的类型。

/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };

对于该接口的底层做一个简单的说明：其实就是利用位段，将数据转换为一个特殊的类型

//示例，非底层实现
struct ip
{
    uint32_t part1:8;
    uint32_t part2:8;
    uint32_t part3:8;
    uint32_t part4:8;
}

2.2.2 inet_ntoa

同样的，如果我们作为客户端接受到了网络请求中的ip，可以用inet_ntoa将其转换为字符串类型。

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

这里就引申出了一个问题：返回值的char*是存在哪里的？是静态区还是malloc？

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-G26FY7Id-1681715257525)(null)]

手册告诉我们，这个函数是维护了一个static变量来存放返回的ip的。

因此，该函数并不是一个线程安全的函数，在APUE中明确标明了这一点

---

2.3 bind绑定ip端口

#include           /* See NOTES */
#include 

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
         socklen_t addrlen);

这个接口的作用就是指定socket和sockaddr进行绑定。第三个参数是addr元素的大小（不是指针大小，别搞错了）

// 2.2 绑定ip端口
if (bind(_sockfd,(const struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) == -1)
{
    logging(FATAL, "bind: %s:%d", strerror(errno), _sockfd);
    exit(2);
}
logging(DEBUG,"socket bind success: %d", _sockfd);

绑定了之后，我们的服务器就配置成功了

测试一下，可以看到编译没有报错，也能正常运行！

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-02-01 udp]$ make udpServer
g++ -o udpServer udpServer.cpp -std=c++11
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-02-01 udp]$ ./udpServer
DEBUG | 1675326460 | muxue | socket create success: 3
DEBUG | 1675326460 | muxue | socket bind success: 3

2.3.1 main

现在先来简单写一下main函数中启动服务的命令行参数吧

int main(int argc,char* argv[])
{
    //参数只有两个（端口/ip）所以参数个数应该是2-3
    if(argc!=2 && argc!=3)
    {
        cout << "Usage: " << argv[0] << " port [ip]" << endl;
        return 1;
    }
    

    string ip;
    // 3个参数，有ip
    if(argc==3)
    {
        ip = argv[2];
    }
    UdpServer s(atoi(argv[1]),ip);
    s.start();

    return 0;
}

为了测试，先把start()函数设置为一个死循环

    void start()
    {
        while(1)
        {
            cout << "running " << getpid() << endl;
            sleep(1);
        }
    }

编译运行，可以看到错误提示是可以用的。正确添加参数之后，也能绑定并开始运行

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-02-01 udp]$ make udpServer
g++ -o udpServer udpServer.cpp -std=c++11
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-02-01 udp]$ ./udpServer
Usage: ./udpServer port [ip]
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-02-01 udp]$ ./udpServer 8080
DEBUG | 1675327610 | muxue | socket create success: 3
DEBUG | 1675327610 | muxue | socket bind success: 3
running 4467
running 4467
running 4467
^C

注意，bind这个函数是不允许你绑定云服务器的公网ip的。因为云服务器并不是直接暴露在公网上的，而是由提供商的入口服务器进入内网，在进入你的服务器。所以他不允许你绑定公网ip；

$ ./udpServer 8080 云服务器公网ip
DEBUG | 1675327690 | muxue | socket create success: 3
FATAL | 1675327690 | muxue | bind: Cannot assign requested address:3

一般情况下，可以选择不绑定ip，或者绑定本地端口127.0.0.1

如果绑定了127.0.0.1，那么服务只有本地可以访问。不绑定端口，就会默认绑定成0.0.0.0，允许本地和远程端口连接

$ ./udpServer 8080 127.0.0.1
DEBUG | 1675327757 | muxue | socket create success: 3
DEBUG | 1675327757 | muxue | socket bind success: 3
running 5067
running 5067

2.3.2 netstat

可以用netstat -lnup命令查看当前开放的端口信息

可以看到，第一行就是我们的udp服务器，本地端口是我们绑定的127.0.0.1:8080，远程端口是0.0.0.0:*，代表允许任何远程ip的任何端口来访问

2.4 开始运行

上面的操作只是初始化了这个udp服务器的信息，并没有让它真正的运行起来；

接下来要做的就是让服务器开始接收信息，并在屏幕上打印出来

2.4.1 recvfrom

这个接口的作用是来接收信息

#include 
#include 

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

• 第一个参数是前面创建的套接字
• 第二个参数是用来接收信息的缓冲区
• 第三个参数是缓冲区的大小
• 第四个参数是标识符，设置为0，代表阻塞等待
• 第五个参数，输出型参数，获取发送方的信息
• 第六个参数，输入输出型参数，需要初始化为sizeof(src_addr)

函数的返回值是接收到的数据的长度，没有接收到或者接受失败，则为-1

示例如下

char inBuf[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in peer;      //输出型参数
socklen_t len = sizeof(peer); //输入输出型参数

// peer和len都是输出型参数，用于获取发送方的信息
// len是输入输出型参数，需要以sizeof(peer)初始化后传入
// 第三个参数0为默认等待方式（阻塞等待）
ssize_t s = recvfrom(_sockfd, inBuf, sizeof(inBuf)-1,0,(struct sockaddr *)&peer, &len);
if (s > 0) // s代表获取到的数据长度，不为0代表成功获取
{
    inBuf[s] = '\0'; //末尾追加'\0'
}
else if (s == -1) // -1没有收到信息，错误
{
    logging(WARINING, "recvfrom: %s:%d", strerror(errno), _sockfd);
    continue;
}

这样就能在inBuf中直接获取到发送信息的内容

2.5 服务端start

以下是服务端运行的完整代码

void start()
{
    char inBuf[BUF_SIZE];//接收到信息的缓冲区
    while(1)
    {
        struct sockaddr_in peer;      //输出型参数
        socklen_t len = sizeof(peer); //输入输出型参数

        // peer和len都是输出型参数，用于获取发送方的信息
        // len是输入输出型参数，需要以sizeof(peer)初始化后传入
        // 第三个参数0为默认等待方式（阻塞等待）
        ssize_t s = recvfrom(_sockfd, inBuf, sizeof(inBuf)-1,0,(struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (s > 0) // s代表获取到的数据长度，不为0代表成功获取
        {
            inBuf[s] = '\0'; //末尾追加'\0'
        }
        else if (s == -1) // -1没有收到信息，错误
        {
            logging(WARINING, "recvfrom: %s:%d", strerror(errno), _sockfd);
            continue;
        }

        string senderIP = inet_ntoa(peer.sin_addr);// 来源ip
        uint16_t senderPort = ntohs(peer.sin_port); // 来源端口
        logging(NOTICE, "[%s:%d]# %s", senderIP.c_str(),senderPort, inBuf);//打印信息
    }
}

如果你想让另外一台主机访问这个服务，则需要在云服务器控制台和linux系统中同时开放对应的udp端口

参考 【Linux】设置系统防火墙

3.client

有了服务端，也要有对应的客户端来发送消息；除了发送消息的部分，其余操作和服务端基本一致。

3.1 sendto

#include 
#include 

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);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

这里我们要用的是sendto接口

• 第一个参数是socket套接字
• 第二个参数是用于输入的缓冲区
• 第三个参数是缓冲区的类型
• 第四个参数是标识符，也设置为0
• 第五个参数和第六个参数与recvfrom一致，为目标服务器的信息

关于flag参数，man手册中有更多选项，这里我们依旧传入0采用默认策略

The flags argument is the bitwise OR of zero or more of the following flags.

3.2 客户端需不需要手动bind?

首先我们要明确一点，bind函数并没有规定一定要是服务端才能使用。也就是说，要不要使用bind是程序猿自己的选择。

答案其实很简单：那就是不需要手动bind

首先我们要知道一点：如果一个网络进程在启动的时候没有手动bind端口，系统是会自动分配一个未使用的端口给它的

• 对于服务器来说，IP:端口必须固定，否则没有办法给客户端提供稳定的服务。客户又不能拆了你的应用程序修改源码中的端口！
• 而对于客户端来说，端口应该让系统自动分配。因为这样能避免冲突问题。不然如果有另外一个应用占用了客户端bind的端口，那这个程序就会因为端口冲突而一直打不开！

所以，客户端不需要我们调用bind函数，只需要配置好服务端的目标ip和目标端口就行了

3.3 代码示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

struct sockaddr_in server;

// ./udpClient server_ip server_port
// 客户端要连接server，必须知道server对应的ip和port
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        cout << "Usage:\n\t" << argv[0] << " server_ip server_port" << endl;
        return 1;
    }
    // 1. 根据命令行，设置要访问的服务器IP
    string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = atoi(argv[2]);

    // 2. 创建客户端
    // 2.1 创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd<0)
    {
        cout << "socket 创建失败" << endl;
        return 2;
    }

    bzero(&server, sizeof(server));//这个函数相当于memset全0

    server.sin_family = AF_INET;//ipv4
    server.sin_port = htons(server_port);//目标服务器端口
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());//目标ip

    // 3. 通讯过程
    string buffer;
    while (true)
    {
        cerr << "Please Enter# ";
        getline(cin, buffer);
        // 发送消息给server
        sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0,
               (const struct sockaddr *)&server, sizeof(server)); 
        // 首次调用sendto函数的时候，client会自动bind自己的ip和port
        // 客户端不应该自己绑定端口，否则端口被占用=客户端不能用
    }
    close(sockfd);

    return 0;
}

3.4 运行测试

这里提供一个makefile，来快速编译服务端/客户端的源码

.PHONY:all
all:udpClient udpServer

udpClient: udpClient.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
udpServer:udpServer.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f udpClient udpServer

运行服务器，指定8080端口启动。再运行客户端，指定127.0.0.1本地ip和8080端口

可以看到，右侧我们收到的信息，都在左侧被打印了出来，同时显示了来源ip和端口

3.5 windows客户端

让我没想到的是，windows上网络的接口和linux很相似；这里提供一个windows下的udp客户端，向我们的云服务器发送信息

注：进行测试前，一定要在防火墙里面开放云服务器对应的udp端口

#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS 1//屏蔽报错

#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define BUFFER_SIZE  1024    //缓冲区大小

int main() 
{
    WSADATA WSAData;
    //初始化
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &WSAData) != 0) 
    {
        printf("初始化失败!");
        return -1;
    }    
    //创建客户端用于通信的Socket
    SOCKET sock_Client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    //服务器的地址数据结构
    SOCKADDR_IN addr_server;   
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_port = htons(10000);// 目标端口
    addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //目标公网ip(需要改成你自己的)

    string sendBuf;
    while (true) 
    {
        cout << "请输入要传送的数据: ";
        getline(cin,sendBuf);
        sendto(sock_Client, sendBuf.c_str(),sendBuf.size(), 0, (const SOCKADDR*)&addr_server, sizeof(addr_server));
        cout << sendBuf.size() << ": " << sendBuf << endl;
    }
    closesocket(sock_Client);
    WSACleanup();

    return 0;
}

测试一下，可以看到云服务器成功收到了信息，但因为windows和linux的文字编码问题，没能正确显示出中文

发送英文信息是没有问题的！

4.更进一步

4.1 记录用户

有用户给你发送信息，理论上来说，服务端应该记录下用户，以备debug;

这部分并不难，我们记录下用户的ip和端口，还有用户的peer结构体，在服务器里面维护一个map来存放就可以了

    void CheckUser(struct sockaddr_in peer)
    {
        string tmp = inet_ntoa(peer.sin_addr);// 来源ip
        tmp += ':';
        tmp += to_string(ntohs(peer.sin_port));// 来源端口

        // 在map中用ip端口来标识用户
        auto it = _usrMap.find(tmp);
        if(it == _usrMap.end())// 没找到
        {
            _usrMap.insert({tmp,peer});
        }
    }

4.2 客户端接收回信

客户端发送信息给服务器后，可以来接收一下服务器的回信。比如在日常生活中，我们发邮件的时候，需要等待对方回信，这才表明你的信对方确实收到了，而不是丢在半路上了

    // 使用多线程操作，来获取服务器传回的信息
    pthread_t t;
    pthread_create(&t, nullptr, recverAndPrint, (void *)&sockfd);

为了方便，这里采用多线程的方式来操作；客户端在接收到服务器的回信后，会打印出来

void *recverAndPrint(void *args)
{
    while (true)
    {
        int sockfd = *(int *)args;
        char buffer[1024];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        ssize_t s = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&temp, &len);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;//将接收到的信息打印出来（服务器返回的）
            cout << "server echo# " << buffer << "\n";
        }
    }
}

4.3 消息路由

所谓消息路由，就是把接收到的消息广播给所有用户。可以理解为一个简单的聊天室。

上面我们已经获取并记录了信息，下面要做的就是把信息重新发给其他用户；操作和客户端的发送是一样的

void MsgRoute(const char* inBuf,size_t len)
{
    struct sockaddr_in user;
    for(auto e:_usrMap)
    {
        user.sin_family = AF_INET;//ipv4
        user.sin_port = e.second.sin_port;//用户端口
        user.sin_addr.s_addr = e.second.sin_addr.s_addr;//用户ip
        // 向用户发送信息
        sendto(_sockfd, inBuf, len, 0,
               (const struct sockaddr *)&user, sizeof(user)); 
    }
}

测试，可以看到，服务端把收到的消息发送给了用户

再新增一个客户端进行测试，可以看到两个客户都收到了服务器的回信

这里对于聊天室来说还有一个小问题，那就是聊天框里面并不会二次出现你的消息。也就是服务器不会把你发送的消息再转发给你。

我们在消息路由函数里面进行判断即可！

void MsgRoute(struct sockaddr_in peer,const char* inBuf,size_t len)
{
    struct sockaddr_in user;
    for(auto e:_usrMap)
    {
        // 如果ip和端口都相等，就代表是发送消息的用户
        if(e.second.sin_port != peer.sin_port || e.second.sin_addr.s_addr != peer.sin_addr.s_addr)
        {
            user.sin_family = AF_INET;//ipv4
            user.sin_port = e.second.sin_port;//用户端口
            user.sin_addr.s_addr = e.second.sin_addr.s_addr;//用户ip
            // 向用户发送信息
            sendto(_sockfd, inBuf, len, 0,
                   (const struct sockaddr *)&user, sizeof(user)); 
        }
    }
}

因为乱序打印的问题，所以看的可能不是很明显。但是我们的目的已经达到了！

这样打印看的不是很清楚，可以使用管道文件来实现输出重定向

mkfifo fifo #创建一个fifo管道文件

运行客户端的时候，指定输出

./udpClient 127.0.0.1 1000 > fifo

在另外一个bash里面，用cat来获取输出

cat < fifo

这就不会出现乱序打印的问题了。

fifo是一个管道文件，需要执行cat后（读端），客户端（写端）才能运行

5.more…

关于udp编程的操作到这里就Over啦，现在我们认识了大部分的网络接口，下一步的目标，就是实现tcp服务器啦！