Linux c编程之UDP通信
一、说明
UDP（User Datagram Protocol），由RFC 768规范定义，中文名为用户数据报协议。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送网络数据包的方法。
UDP是常用的网络传输协议之一，该协议是无连接、不可靠、面向数据报的协议。在Linux C网络程序中广泛使用，如音、视频媒体数据传输、DNS协议、SIP协议等。
UDP通信分为客户端和服务端，其中服务端在指定的网络端口上读取数据，客户端将数据发给服务端绑定的网络端口，无需建立连接即可通信，反过来，服务端向客户端发送数据也是一样。
二、常用API介绍
2.1 socket()
#include
#include
int socket(int domain, int type, int protocol);
作用：创建一个通信的终端
参数说明：
domain: 协议族，常用AF_INET表示IPv4
type: 传输方式，常用的有以下两种:
SOCK_STREAM： TCP
SOCK_DGRAM： UDP
protol: 特殊协议，实际应用中都是写为0
返回值：
成功时返回一个socket文件描述符，失败时返回-1，errno会被设置，可以通过errno值获取错误码
2.2 bind()
#include
#include
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
作用：
绑定网络地址（IP/PORT)到socket
参数说明：
sockfd: socket()返回的描述符
addr: 绑定的地址
addrlen: 绑定的地址结构长度
返回值：
成功时返回0，失败时返回-1，errno会被设置，可以通过errno值获取错误码
2.3 sendto()
#include
#include
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len,
int flags, const struct sockaddr *dest_addr,
socklen_t addrlen);
作用：
发送消息
参数说明：
sockfd: socket()创建的socket描述符
buf: 发送的内容（起始地址）
len:发送内容的长度
flags: 发送选项，一般为0
dest_addr：目的地址
addrlen：目的地址长度
返回值：
成功返回发送的字符个数，失败返回-1，errno会被设置
2.4 recvfrom()
#include
#include
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len,
int flags, struct sockaddr *src_addr,
socklen_t *addrlen);
作用：
接收消息
参数说明：
sockfd: socket()创建的socket描述符
buf: 接收的内容（起始地址）
len:接收内容的长度
flags: 接收选项，一般为0
dest_addr：源地址
addrlen：源地址长度
返回值：
成功时返回接收的字节数，错误时返回-1，并设置errno值。如果对端关闭时，返回0
2.5 close()
#include
int close(int fd);
作用：
关闭一个（文件/socket）描述符
参数说明：
fd: 描述符
三、UDP实例分析
3.1 基本UDP通信示例
server_udp.c:
#include client_udp.c:
#include Makefile:
all:
gcc -o server server_udp.c
gcc -o client client_udp.c
clean:
-@rm server client
编译方式：
make
测试运行：
$ ./client
send data: [hello world] to 127.0.0.1:9999
$ ./server
recv len:11, data:[hello world] from 127.0.0.1:44180
$ ./client "I can do it"
send data: [I can do it] to 127.0.0.1:9999
$ ./server
recv len:11, data:[I can do it] from 127.0.0.1:43607
3.2 客户端端口变化问题
在3.1的例子中，客户端重复调用时，服务端收到的数据是从客户端不同的端口发来的，如下：
$ ./server
recv len:1, data:[1] from 127.0.0.1:43113
recv len:1, data:[2] from 127.0.0.1:46748
recv len:1, data:[3] from 127.0.0.1:43452
客户端端口变化是由于客户端的socket没有绑定固定的端口，系统每次随机分配了一个端口。可以使用bind函数绑定固定端口，如下代码所示：
memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);
client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(CLIENT_IP);
addr_len = sizeof(client_addr);
ret = bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
if (ret < 0) {
printf("%s: bind failed\n", __FUNCTION__);
close(socket_fd);
return 0;
}
客户端绑定端口后，再次测试验证：可以看到客户端的端口一直是绑定的端口10000
$ ./server
recv len:1, data:[1] from 127.0.0.1:10000
recv len:1, data:[2] from 127.0.0.1:10000
recv len:1, data:[3] from 127.0.0.1:10000
3.3 服务器向客户端回写消息
server.c:
#include client.c:
#include 测试：
$ ./client "hello world"
send data: [hello world] to 127.0.0.1:9999
recv len:11, data:[hello world] from 127.0.0.1:9999
$ ./server
recv len:11, data:[hello world] from 127.0.0.1:10000
send data: [hello world] to 127.0.0.1:10000
3.4 服务端状态和行为
服务器不启动时，客户端发送消息时，会出现icmp的端口不可达报文，如下：
服务端启动时，可以通过netstat命令查看服务端接收消息的网络端口
$ ./server
$ netstat -anp | grep 9999
udp 0 0 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:* 21845/server
3.5 非阻塞模式
socket默认是阻塞模式，因此调用recvfrom()函数时，如果没有客户端发送数据，则recvfrom会一直阻塞，导致程序挂住，不能处理其它事情。因此，在实际应用场景中，会将socket设置为非阻塞。
#include 测试：
$ ./server
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
ret:-1, errno:11, Resource temporarily unavailable
................................................................
通过轮询的方式调用recvfrom接口时，会出现循环打印日志的情况。
为了解决这个问题，使用IO复用函数epoll来处理socket，只在有数据的时候才调用，示例如下：
server.c
#include client.c:
#include 测试 ：
$ ./client 1
send data: [1] to 127.0.0.1:9999
$ ./client 2
send data: [2] to 127.0.0.1:9999
$ ./client 3
send data: [3] to 127.0.0.1:9999
$ ./client
send data: [hello world] to 127.0.0.1:9999
$ ./server
recv len:1, data:[1] from 127.0.0.1:10000
recv len:1, data:[2] from 127.0.0.1:10000
recv len:1, data:[3] from 127.0.0.1:10000
recv len:11, data:[hello world] from 127.0.0.1:10000
eopll_wait timeout!
四、关键说明
- UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要像TCP那样建立连接，因此减少了建立连接带来的开销和发送数据的时延
- UDP 数据是面向报文传输的。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界，因此不涉及到粘包问题。不过应用程序必须选择合适大小的报文。
- UDP 没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。
- UDP适用于实时性要求很高，并且几乎不能容忍重传的应用场景，比如直播
- UDP适用于应用程序对传输的可靠性要求不高，但是对传输速度和延迟要求较高的场景。UDP适合于实时数据传输，如VoIP中的语音和视频通信，因为这种场景在偶尔丢失一两个或少量数据包时，对接收方也不会造成太大的影响