Linux网络编程系列之UDP广播

一、什么是UDP广播

       UDP广播是一种网络通信的方式，在广域网或局域网中，UDP广播可以向多个目标主机发送数据包，使得网络中的所有设备都能接收到广播消息。一定是采用UDP协议。

二、特性

        1、面向无连接：UDP广播不需要建立连接，可以直接发送数据包到目标设备。

        2、广播特性：UDP广播可以向一个网络中的所有设备发送数据包。

        3、不可靠性：UDP广播发送的数据包无法保证传输的可靠性，可能会发生数据丢失、错误等情况。

        4、速度快、开销小：UDP广播不需要建立连接，因此传输速度快，开销小，适用于实时流媒体传输等应用场景。

        5、 安全性较低：UDP广播发送的数据包可以被网络中的其他设备接收，可能会存在数据泄露的风险。

        6、适用于广播通信场景：UDP广播适用于需要向网络中所有设备发送数据的场景，比如寻找可用设备、传输实时视频或音频数据等。

三、使用场景

        UDP广播主要用于数据的实时传输和设备的发现，常见的应用场景包括：

        1、视频和音频的实时传输：UDP广播可以使得多个设备同时接收到同一流的数据，实现实时的视频会议和音频播放等功能。

        2、网络打印机的自动发现：通过UDP广播，打印机可以向网络中广播自己的存在，从而被所有的设备发现和使用。

        3、多人游戏的联机：UDP广播可以将游戏数据同时发送给所有玩家的设备，实现多人游戏的联机功能。

        4、网络摄像头的实时监控：通过UDP广播，摄像头可以将实时的视频流发送给所有监控软件，使得监控人员能够同时查看视频。

四、UDP广播通信流程

        1、发送方（不一定是服务器或者客户端）

        （1）、建立套接字。使用socket()

        （2）、设置套接字属性为广播。使用setsockopt()

        （3）、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()（可以省略）

        （4）、发送数据，并指定接收方为广播地址。使用sendto()

        （5）、关闭套接字

        2、接收方（不一定是服务器或者客户端）

        （1）、建立套接字。使用socket()

        （2）、设置端口复用。使用setsockopt()（可选，推荐）

        （3）、绑定IP地址为广播地址和端口号。使用bind()（不可以省略）

        （4）、接收数据。使用recvfrom()

        （5）、关闭套接字

五、相关函数API

   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：发送者的套接字
        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：接收者的套接字
        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

        实现UDP广播的演示

        发送方BroadcastSend.c

// UDP广播发送方的案例

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

#define SEND_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SEND_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、设置套接字为广播属性
    int optval = 1; // 这里设置套接字为广播属性，所以随便写一个值
    int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &optval, sizeof(optval));
    if(ret == -1)
    {
        perror("setsockopt fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 3、绑定自己的IP地址和端口号（可以省略）
    struct sockaddr_in send_addr = {0};
    socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);
    send_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议
    send_addr.sin_port = htons(SEND_PORT);  // 端口号
    send_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SEND_IP); // IP地址

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&send_addr, addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、发送数据
    uint16_t port = 0;  // 端口号
    char ip[20] = {0};  // IP地址
    struct sockaddr_in recv_addr = {0};

    char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区
  
    // 注意输入广播地址，格式为*.*.*.255
    printf("please input receiver IP and port\n");
    scanf("%s %hd", ip, &port);
    printf("IP = %s, port = %hd\n", ip, port);
    recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定用IPV4地址
    recv_addr.sin_port = htons(port); // 接收者的端口号
    recv_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*)&recv_addr, addr_len);
        if(ret > 0)
        {
            printf("success: send %d bytes\n", ret);
        }
    }
    
    // 5、关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

        接收方BroadcastRecv.c 

// UDP广播接收方的案例

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

#define RECV_IP   "192.168.64.255"    // 记得改为广播地址
#define RECV_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
    int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
    if(ret == -1)
    {
        perror("setsockopt fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 3、绑定自己的IP地址和端口号（不可以省略）
    struct sockaddr_in recv_addr = {0};
    socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);
    recv_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议
    recv_addr.sin_port = htons(RECV_PORT);  // 端口号
    // recv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(RECV_IP); // IP地址. 写下面的更好
    recv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本机内所有的IP地址

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&recv_addr, addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、接收数据
    uint16_t port = 0;  // 端口号
    char ip[20] = {0};  // IP地址
    struct sockaddr_in send_addr = {0};
    char msg[128] = {0};    // 数据缓冲区
  
    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*)&send_addr, &addr_len);
        if(ret > 0)
        {
            memset(ip, 0, sizeof(ip));  // 先清空IP
            strcpy(ip, inet_ntoa(send_addr.sin_addr));    // 网络IP转主机IP
            port = ntohs(send_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
        }
    }
    
    // 5、关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

        通信演示

        注：第一幅图由于只有一台电脑不太好演示广播效果，第二幅图用了一台电脑和一个开发板。

七、总结

        UDP广播一定是采用UDP协议的，通信流程跟UDP协议的通信流程差不多，就是要注意设置发送方套接字属性为广播，然后设置接收方的IP地址为广播地址，UDP广播主要用于数据的实时传输和设备的发现。