Linux网络编程系列之UDP协议
一、什么是UDP协议
UPD协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是Internet协议族中的一个无连接协议，属于传输层，它不保证数据传输的可靠性或完整性，只是把应用程序发给网络层的数据封装成数据包进行传输。
二、特性
1、无连接性：UDP协议不需要在发送数据之前建立连接，也不需要在传输过程中维持连接状态。
2、数据报式：UDP协议把应用程序发送的数据封装成报文（数据报）进行传输，每个报文都是独立的，独立传输，不关心前后次序的。
3、快速性：UDP协议没有传输确认和重传机制，数据传输快速，适用于实时应用。
4、轻量级：UDP协议的头部信息较小，占用网络带宽较少。
5、不可靠性：UDP协议不保证数据传输的可靠性和完整性，数据包发送后无法得到确认，也无法保证数据包能否到达目标地点。
6、丢包率高：UDP协议传输的数据包容易被网络拥塞、路由错误或网络故障等因素导致丢失。（需要特别注意，丢包是否需要重传）
三、使用场景
1、视频及音频应用：UDP协议适合用于实时视频和音频传输应用，如视频会议、网络电视、实时语音对话等。
2、游戏应用：在线游戏对实时性的要求非常高，因此很多游戏都采用UDP协议来传输游戏数据，如游戏画面、玩家动作、游戏状态等。
3、广播：UDP协议支持广播和多播，适用于局域网内广播数据等应用场景。
4、简单请求-响应应用：UDP协议适用于一些对数据传输可靠性要求不高，但是需要快速取得响应的应用，如DNS、NTP等。
5、IoT应用：在物联网应用场景下，由于传输数据量小，且对实时性要求较高，UDP协议被广泛应用于传输数据。
总之，UDP协议适用于对数据传输可靠性要求不高，但对实时性要求较高的场景，能够提供快速的数据传输和较低的网络延迟。
四、C/S架构UDP通信流程
1、客户端
（1）、建立套接字。使用socket()函数
（2）、设置端口复用。使用setsockopt()函数，这一步可选(推荐)
（3）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()函数，这一步可以省略
（4）、和UDP服务器进行收发数据。使用sendto()发送，recvfrom()接收
（5）、关闭套接字。使用close()
2、服务端
（1）、建立套接字。使用socket()函数
（2）、设置端口复用。使用setsockopt()函数，这一步可选(推荐)
（3）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()函数，这一步不可以省略！
（4）、和客户端进行收发数据。使用sendto()发送，recvfrom()接收
（5）、关闭套接字。使用close()
五、相关函数API接口
1、建立套接字
// 建立套接字 int socket(int domain, int type, int protocol); // 接口说明 返回值：成功返回一个套接字文件描述符，失败返回-1 参数domain：用来指定使用何种地址类型，有很多，具体看别的资源 （1）PF_INET 或者 AF_INET 使用IPV4网络协议 （2）其他很多的，看别的资源 参数type：通信状态类型选择，有很多，具体看别的资源 （1）SOCK_STREAM 提供双向连续且可信赖的数据流，即TCP （2）SOCK_DGRAM 使用不连续不可信赖的数据包连接，即UDP 参数protocol：用来指定socket所使用的传输协议编号，通常不用管，一般设为0
2、设置端口状态
// 设置端口的状态 int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen); // 接口说明 返回值：成功返回0，失败返回-1 参数sockfd：待设置的套接字 参数level： 待设置的网络层，一般设成为SOL_SOCKET以存取socket层 参数optname：待设置的选项，有很多种，具体看别的资源，这里讲常用的 （1）、SO_REUSEADDR 允许在bind()过程中本地地址可复用，即端口复用 （2）、SO_BROADCAST 使用广播的方式发送，通常用于UDP广播 （3）、SO_SNDBUF 设置发送的暂存区大小 （4）、SO_RCVBUF 设置接收的暂存区大小 参数optval：待设置的值 参数optlen：参数optval的大小，即sizeof(optval)
3、绑定自己的IP地址和端口号
// 绑定自己的IP地址和端口号 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); // 接口说明 返回值： 参数sockfd：待绑定的套接字 参数addrlen：参数addr的大小，即sizeof(addr) 参数addr：IP地址和端口的结构体，通用的结构体，根据sockfd的类型有不同的定义 当sockfd的domain参数指定为IPV4时，结构体定义为 struct sockaddr_in { unsigned short int sin_family; // 需与sockfd的domain参数一致 uint16_t sin_port; // 端口号 struct in_addr sin_addr; // IP地址 unsigned char sin_zero[8]; // 保留的，未使用 }; struct in_addr { uin32_t s_addr; } // 注意：网络通信时，采用大端字节序，所以端口号和IP地址需要调用专门的函数转换成网络字节序
4、字节序转换接口
// 第一组接口 // 主机转网络IP地址，输入主机IP地址 uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 主机转网络端口，输入主机端口号 uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 常用 // 网络转主机IP，输入网络IP地址 uint32_t ntohl(uint32_t netlong); // 网络转主机端口，输入网络端口 uint16_t ntohs(uint16_t netshort); // 第二组接口，只能用于IPV4转换，IP地址 // 主机转网络 int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); // 主机转网络 in_addr_t inet_addr(const char *cp); // 常用 // 网络转主机 int_addr_t inet_network(const char *cp); // 网络转主机 char *inet_ntoa(struct in_addr in); // 常用
5、发送数据
// UDP协议发送数据 ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen); // 接口说明 返回值：成功返回成功发送的字节数，失败返回-1 参数sockfd：套接字 参数buf：发送的数据缓冲区 参数len：发送的长度 参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源 参数dest_addr：接收者的网络地址 参数addrlen：接收者的网络地址大小，即sizeof(dest_addr)
6、接收数据
// UDP协议接收数据 ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); // 接口说明： 返回值：成功返回成功接收的字节数，失败返回-1 参数sockfd：套接字 参数buf：接收数据缓的冲区 参数len：接收的最大长度 参数flags：一般设置为0，还有其他数值，具体查询别的资源 参数src_addr：发送者的网络地址，可以设置为NULL 参数addrlen： 发送者的网络地址大小，即sizeof(src_addr)
7、关闭套接字
// 关闭套接字 int close(int fd); // 接口说明 返回值：成功返回0，失败返回-1 参数fd：套接字文件描述符
六、案例
使用UDP协议完成C/S架构的客户端和服务端通信演示
客户端UdpClient.c
// UDP客户端的案例 #include#include #include #include #include #include #include #include #define CLIENT_IP "192.168.64.128" // 记得改为自己IP #define CLIENT_PORT 10000 // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用 int main(int argc, char *argv[]) { // 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议 int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if(sockfd == -1) { perror("socket fail"); return -1; } // 2、设置端口复用（推荐） int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值 setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)); // 3、绑定自己的IP地址和端口号（可以省略） struct sockaddr_in client_addr = {0}; socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr); client_addr.sin_family = AF_INET; // 指定协议为IPV4地址协议 client_addr.sin_port = htons(CLIENT_PORT); // 端口号 client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(CLIENT_IP); // IP地址 int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, addr_len); if(ret == -1) { perror("bind fail"); return -1; } // 4、收发数据 uint16_t port = 0; // 端口号 char ip[20] = {0}; // IP地址 struct sockaddr_in server_addr = {0}; char msg[128] = {0}; // 数据缓冲区 pid_t pid = fork(); // 父进程发送数据 if(pid > 0) { printf("please input receiver IP and port\n"); scanf("%s %hd", ip, &port); printf("IP = %s, port = %hd\n", ip, port); server_addr.sin_family = AF_INET; // 指定用IPV4地址 server_addr.sin_port = htons(port); // 接收者的端口号 server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip); // 接收者的IP地址 while(getchar() != '\n'); // 清空多余的换行符 while(1) { printf("please input data:\n"); fgets(msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), stdin); // 发送数据，注意要填写接收者的地址 ret = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, addr_len); if(ret > 0) { printf("sccuess: send %d bytes\n", ret); } } } // 子进程接收数据 else if(pid == 0) { while(1) { // 接收数据，注意使用发送者的地址来接收 ret = recvfrom(sockfd, msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, &addr_len); if(ret > 0) { memset(ip, 0, sizeof(ip)); // 先清空IP strcpy(ip, inet_ntoa(server_addr.sin_addr)); // 网络IP转主机IP port = ntohs(server_addr.sin_port); // 网络端口号转主机端口号 printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, msg); memset(msg, 0, sizeof(msg)); // 清空数据区 } } } else { perror("fork fail"); close(sockfd); return -1; } // 5、关闭套接字 close(sockfd); return 0; }
服务端UdpServer.c
// UDP服务端的案例 #include#include #include #include #include #include #include #include #define SERVER_IP "192.168.64.128" // 记得改为自己IP #define SERVER_PORT 20000 // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用 int main(int argc, char *argv[]) { // 1、建立套接字，使用IPV4网络地址，UDP协议 int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if(sockfd == -1) { perror("socket fail"); return -1; } // 2、设置端口复用（推荐） int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值 setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)); // 3、绑定自己的IP地址和端口号（不能省略） struct sockaddr_in server_addr = {0}; socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr); server_addr.sin_family = AF_INET; // 指定协议为IPV4地址协议 server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // 端口号 server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址 int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, addr_len); if(ret == -1) { perror("bind fail"); return -1; } // 4、收发数据 uint16_t port = 0; // 端口号 char ip[20] = {0}; // IP地址 struct sockaddr_in client_addr = {0}; char msg[128] = {0}; // 数据缓冲区 pid_t pid = fork(); // 父进程发送数据 if(pid > 0) { printf("please input receiver IP and port\n"); scanf("%s %hd", ip, &port); printf("IP = %s, port = %hd\n", ip, port); client_addr.sin_family = AF_INET; // 指定用IPV4地址 client_addr.sin_port = htons(port); // 接收者的端口号 client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip); // 接收者的IP地址 while(getchar() != '\n'); // 清空多余的换行符 while(1) { printf("please input data:\n"); fgets(msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), stdin); // 发送数据，注意要填写接收者的地址 ret = sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, addr_len); if(ret > 0) { printf("sccuess: send %d bytes\n", ret); } } } // 子进程接收数据 else if(pid == 0) { while(1) { // 接收数据，注意使用发送者的地址来接收 ret = recvfrom(sockfd, msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len); if(ret > 0) { memset(ip, 0, sizeof(ip)); // 先清空IP strcpy(ip, inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); // 网络IP转主机IP port = ntohs(client_addr.sin_port); // 网络端口号转主机端口号 printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, msg); memset(msg, 0, sizeof(msg)); // 清空数据区 } } } else { perror("fork fail"); close(sockfd); return -1; } // 5、关闭套接字 close(sockfd); return 0; }
通信演示
注：上面只是对C/S架构UDP通信流程进行演示，并没有做什么丢包重传的检测，以上演示还介绍了一些测试命令用来建立一个UDP服务端
七、总结
UDP协议是属于传输层的，适用于一些对数据传输的实时性要求高、但对数据传输的可靠性要求较低的场景，如视频会议等流媒体应用。注意要考虑UDP协议丢包的问题，是否需要重传。可以结合案例加深对UDP协议的理解。