Qt——TCP UDP网络编程

前言

恰好，有个项目需要用到UDP，之前使用比较多的是TCP，UDP的还是第一次搞，但是感觉流程也是差不多，甚至比TCP要更简单就行，这里就稍微做一下总结，写一下自己需要注意的点，以及从网上查找到的，比较有用的一些资料。本篇文章，主要偏向的还是UDP，TCP的话，大家可以稍微看下，当做过下眼。

正文

一、TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输协议，它是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）模型中的第四层协议，通常使用于网络中的应用层和传输层之间。

​ TCP建立连接主要就是三次握手、断开连接主要就是四次挥手。

三次握手的基本流程如下：

四次挥手的基本流程如下：

关于TCP Socket 的实现逻辑如下：

本篇文章关于TCP就点到为止了。下面就讲下UDP了。

二、UDP

1、基本流程

UDP（User Data Protocol），用户数据报协议，是一种简单轻量级、不可靠、面向数据报、无连接的传输层协议，可以应用在可靠性不是十分重要的场合，如短消息、广播信息等。

适用于以下几种情况：

A、网络数据大多为短消息。

B、拥有大量客户端

C、对数据安全性无特殊要求

D、网络负担非常重，但对响应速度要求高。

这部分内容，应该有一部分难点在于UDP的拆包上面，但由于目前解除的项目不需要拆包，就暂不考虑这个问题了。

UDP编程的流程：

2、必备知识

1、数据报的长度一般不少于512字节，每个数据报包含发送者和接收者的IP地址和端口等信息。
2、单播、广播、组播的知识

单播（unicast）模式：一个UDP客户端发出的数据报只发送到另一个指定地址和端口的UDP客户端，是一对一的数据传输。
广播（broadcast）模式：一个UDP客户端发出的数据报，在同一网络范围内其他所有的UDP客户端都可以收到。QUdpSocket支持IPv4广播。广播经常用于实现网络发现的协议。要获取广播数据只需在数据报中指定接收端地址为QHostAddress::Broadcast,一般的广播地址为255.255.255.255。
组播（multicast）模式：也称为多播。UDP客户端加入到另一组播IP地址指定的多播组，成员向多组播地址发送的数据报组内成员都可以接收到，类似于QQ群的功能。

1. 单播（Unicast）：单播是一种点对点的通信方式，其中一个发送方（源）向一个接收方（目标）发送数据。在单播通信中，数据从发送方经过网络传输到指定的接收方，其他设备不会接收到该数据。单播适用于需要将数据传输到特定设备或主机的场景，例如客户端-服务器通信。

2. 广播（Broadcast）：广播是一种一对多的通信方式，其中一个发送方向局域网中的所有设备发送数据。在广播通信中，数据从发送方通过网络传输到同一局域网中的所有设备。所有接收方都会接收到广播数据。广播适用于需要将数据传输到局域网中的所有设备的场景，例如局域网上的服务发现、网络广告等。

3. 广播UDP与单播UDP的区别就是IP地址不同，广播使用广播地址255.255.255.255，将消息发送到在同一广播网络上的每个主机。值得强调的是：本地广播信息是不会被路由器转发。当然这是十分容易理解的，因为如果路由器转发了广播信息，那么势必会引起网络瘫痪。

   其实广播顾名思义，就是想局域网内所有的人说话，但是广播还是要指明接收者的端口号的，因为不可能接受者的所有端口都来收听广播。
   3、报文大小的限制与各系统的协议实现有关，但不得超过其下层 IP 协议规定的64KB
   4、所谓客户端进行广播，是指客户端向一个广播地址255.255.255.255 + 一个指定的服务端监听的端口号 进行发送数据。只要端口号是对的，那么服务端就会接收到数据。
   5、如何监听某个端口：netstat -ano | findstr 1024
   6、

三、代码层级

1、UDP服务端

该代码是我实现的UDP服务端，只负责接收信息。
UDPServer.h

#ifndef UDPSERVER_H
#define UDPSERVER_H

#include 
#include 

class CUdpServer : public QObject
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit CUdpServer(QObject *parent = nullptr);
    ~CUdpServer();
    bool OpenUdpServer(const int &_iPort);
protected:
    bool _WriteDatagram(const QString &_sIp, const int &_iPort, char *_pData, int _iLength);
    bool _ResponseFrame(const QString &_sIp, const int &_iPort, const QString &_sCmd, const QByteArray &_oArray);
    bool _HandleLoginFrame(const QString &_sIp, const int &_iPort, const QByteArray &_oArray);
private:
    void _Init();
    uint8_t _XorCheck(uint8_t *pbuf, uint32_t length);
    qint64 _GetNowDateTimeStampMs();

public slots:
    void on_readyRead();
private:
    QUdpSocket* m_pUdpServer = nullptr;
    bool m_bOpen = false;
    bool m_bDoing = false;
    int m_iElectricQuantity = 0;
};

#endif // UDPSERVER_H

UDPServer.cpp

#include "UdpServer.h"

#include 
#include 

#include 
#include 

CUdpServer::CUdpServer(QObject *parent):
    QObject(parent)
{
    _Init();
    connect(m_pUdpServer, &QUdpSocket::readyRead, this, &CUdpServer::on_readyRead);
}

CUdpServer::~CUdpServer()
{

}

bool CUdpServer::OpenUdpServer(const int &_iPort)
{
    bool bRet = false;
    if (false == m_bOpen)
    {
        bRet = m_pUdpServer->bind(QHostAddress::Any, _iPort);

        if (bRet)
        {
            m_bOpen = true;
        }
    }
    return bRet;
}

bool CUdpServer::_WriteDatagram(const QString &_sIp, const int &_iPort, char *_pData, int _iLength)
{
    bool bRet = false;
    QByteArray oOutputArray = QByteArray::fromRawData((char*)_pData, _iLength);
    qint64 iLen = m_pUdpServer->writeDatagram(oOutputArray, QHostAddress(_sIp), _iPort);
    return bRet;
}

bool CUdpServer::_ResponseFrame(const QString &_sIp, const int &_iPort, const QString &_sCmd, const QByteArray &_oArray)
{
    bool bRet = false;
    int iElectricQuantity = (int)_oArray.at(3);
    uchar cArray[16]= {0};
    cArray[0] = 0xAF;//帧头
    cArray[1] = 0x00;//设备类型
    cArray[2] = 0x00;//设备编号
    cArray[3] = 0x64;//电池电量
    qint64 iTimeStamp = _GetNowDateTimeStampMs();

    quint8 byte1 = (iTimeStamp >> 24) & 0xFF;
    quint8 byte2 = (iTimeStamp >> 16) & 0xFF;
    quint8 byte3 = (iTimeStamp >> 8) & 0xFF;
    quint8 byte4 = iTimeStamp & 0xFF;
    LOG_INFO << "--->z CUdpServer::_HandleHeartFrame byte1:"<< iTimeStamp<<"||"<<QString::number(iTimeStamp, 16).toStdString();

    cArray[4] = (int)byte1;//时间戳
    cArray[5] = (int)byte2;//时间戳
    cArray[6] = (int)byte3;//时间戳
    cArray[7] = (int)byte4;//时间戳

    cArray[8] = _oArray.at(8);//唯一ID
    cArray[9] = _oArray.at(9);//唯一ID
    cArray[10] = _oArray.at(10);//唯一ID
    cArray[11] = _oArray.at(11);//唯一ID
    bool bOK = false;
    cArray[12] = _sCmd.toInt(&bOK, 16);//命令类型
    cArray[13] = 0x00;//包序列
    cArray[14] = 0x00;//数据长度
    cArray[15] = _XorCheck(cArray, sizeof(cArray) - 1);//校验字节

    bRet = _WriteDatagram(_sIp, _iPort, (char*)cArray, sizeof(cArray));
    return bRet;
}

bool CUdpServer::_HandleLoginFrame(const QString &_sIp, const int &_iPort, const QByteArray &_oArray)
{
    bool bRet = false;

    if (_oArray.length() < 16)
    {
        return bRet;
    }

    if (m_bDoing)
    {
        return false;
    }
    m_bDoing = true;

    bRet = _ResponseFrame(_sIp, _iPort, "01", _oArray);
    m_bDoing = false;
    return bRet;
}

void CUdpServer::_Init()
{
    m_pUdpServer = new QUdpSocket(this);
}

uint8_t CUdpServer::_XorCheck(uint8_t *pbuf, uint32_t length)
{
    uint8_t temp = 0;
    uint32_t i;
    pbuf++;
    pbuf++;
    for (i = 0; i < length - 2; i++)
    {
        temp ^= *pbuf++;
    }
    return temp;
}

qint64 CUdpServer::_GetNowDateTimeStampMs()
{
    // 获取当前日期和时间
    QDateTime currentDateTime = QDateTime::currentDateTime();

    // 获取当前年份
    int iCurrentYear = currentDateTime.date().year();
    int iCurrentMonth = currentDateTime.date().month();
    int iCurrentDay = currentDateTime.date().day();
    // 创建基准日期（以当前年份为基准）
    QDateTime baseDateTime(QDate(iCurrentYear, iCurrentMonth, iCurrentDay), QTime(0, 0, 0));

    // 计算当前时间相对于基准日期的毫秒数
    qint64 timestamp = currentDateTime.toMSecsSinceEpoch() - baseDateTime.toMSecsSinceEpoch();
    return timestamp;
}

void CUdpServer::on_readyRead()
{
    //帧头(af)   设备类型    设备编号    电池电量  时间戳     唯一ID    命令类型  包序列  数据长度   校验字节    数据校验    数据
    // 1           1          1          1      4          4        1       1       1         1         1         N
    while (m_pUdpServer->hasPendingDatagrams())                       // 判断是否有可读数据
    {
        QNetworkDatagram datagram = m_pUdpServer->receiveDatagram(); // 读取数据
        QByteArray replyData = datagram.data();
        if(replyData.count())
        {
            QString sIP = datagram.senderAddress().toString().remove("::ffff:");
            int iPort = datagram.senderPort();
            QString sCmd = QString("%1").arg((char)replyData.at(12), 2, 16, QChar('0'));
            for (int i = 0; i< replyData.size(); i++)
            {
                char byte = replyData.at(i);
                QString sByte = QString::number((int)byte, 16);
                QString hexString = QString("%1").arg((int)byte, 2, 16, QChar('0'));
            }
            if (sCmd == "01")
            {
                _HandleLoginFrame(sIP, iPort, replyData);
            }
        }
    }
}

调用的时候，就直接new一个这个UDPServer的对象就可以了。

如果大家需要直接可以运行起来的程序，大家可以参考这位兄弟的，这位兄弟的就写的比较完整了，客户端，服务端都有。
https://github.com/mahuifa/QMDemo/tree/master/QMNetwork

END、总结的知识与问题

1、如何获取QByteArray中某一字节的数据，并将其转为十进制？

int iElectricQuantity = (int)_oArray.at(3);

2、如何以本年本月本日为基础，获取时间戳，而不以1970为基础？

qint64 CUdpServer::_GetNowDateTimeStampMs()
{
    // 获取当前日期和时间
    QDateTime currentDateTime = QDateTime::currentDateTime();

    // 获取当前年份
    int iCurrentYear = currentDateTime.date().year();
    int iCurrentMonth = currentDateTime.date().month();
    int iCurrentDay = currentDateTime.date().day();
    // 创建基准日期（以当前年份为基准）
    QDateTime baseDateTime(QDate(iCurrentYear, iCurrentMonth, iCurrentDay), QTime(0, 0, 0));

    // 计算当前时间相对于基准日期的毫秒数
    qint64 timestamp = currentDateTime.toMSecsSinceEpoch() - baseDateTime.toMSecsSinceEpoch();
    return timestamp;
}

3、如何将一个四个字节组成的数拆分成1个字节一个字节的？

 	qint64 iTimeStamp = _GetNowDateTimeStampMs();//这个实际获取到的是4个字节，但也没关系，我们根据下面的方式，取到的一定是最前面的四个字节

    quint8 byte1 = (iTimeStamp >> 24) & 0xFF;
    quint8 byte2 = (iTimeStamp >> 16) & 0xFF;
    quint8 byte3 = (iTimeStamp >> 8) & 0xFF;
    quint8 byte4 = iTimeStamp & 0xFF;

    cArray[4] = (int)byte1;//时间戳
    cArray[5] = (int)byte2;//时间戳
    cArray[6] = (int)byte3;//时间戳
    cArray[7] = (int)byte4;//时间戳

4、如何对前面的所有字节进行异或校验？

uint8_t CUdpServer::_XorCheck(uint8_t *pbuf, uint32_t length)
{
    uint8_t temp = 0;
    uint32_t i;
    pbuf++;
    pbuf++;
    for (i = 0; i < length - 2; i++)
    {
        temp ^= *pbuf++;
    }
    return temp;
}

5、如何将QByteArray中的某个字节转为十六进制？

char byte = replyData.at(i);//replayData就是一个QByteArray
QString hexString = QString("%1").arg((int)byte, 2, 16, QChar('0'));

参考

参考：
1、UDP广播与多播
2、Qt 网络编程-UDP
3、Qt中实现UDP的分包和组包——参考“草上爬”的博客