基于UDP协议的网络程序

一、下图是典型的UDP客户端/服务器通讯过程

下面依照通信流程，我们来实现一个UDP回射客户/服务器

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>

  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);

当套接字处于“已连接”的状态时，才可以使用send，当flags = 0 时 send 与 write 一致。

且 send(sockfd, buf, len, flags);  即  sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);

 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

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

recv 与 recvfrom 的关系与 send 与 sendto 的关系一致。

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

/*************************************************************************     > File Name: echoser_udp.c     > Author: Simba     > Mail: [email protected]     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<errno.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<string.h> #define ERR_EXIT(m) \      do { \         perror(m); \         exit(EXIT_FAILURE); \     }  while ( 0) void echo_ser( int sock) {      char recvbuf[ 1024] = { 0};      struct sockaddr_in peeraddr;     socklen_t peerlen;      int n;      while ( 1)     {         peerlen =  sizeof(peeraddr);         memset(recvbuf,  0,  sizeof(recvbuf));         n = recvfrom(sock, recvbuf,  sizeof(recvbuf),  0,                      ( struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);          if (n == - 1)         {              if (errno == EINTR)                  continue;             ERR_EXIT( "recvfrom error");         }          else  if(n >  0)         {             fputs(recvbuf, stdout);             sendto(sock, recvbuf, n,  0,                    ( struct sockaddr *)&peeraddr, peerlen);         }     }     close(sock); } int main( void) {      int sock;      if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM,  0)) <  0)         ERR_EXIT( "socket error");      struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr,  0,  sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons( 5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      if (bind(sock, ( struct sockaddr *)&servaddr,  sizeof(servaddr)) <  0)         ERR_EXIT( "bind error");     echo_ser(sock);      return  0; }

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68

/*************************************************************************     > File Name: echocli_udp.c     > Author: Simba     > Mail: [email protected]     > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST  ************************************************************************/ #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \          do \         { \                 perror(m); \                 exit(EXIT_FAILURE); \         }  while( 0) void echo_cli( int sock) {      struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr,  0,  sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons( 5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( "127.0.0.1");      int ret;      char sendbuf[ 1024] = { 0};      char recvbuf[ 1024] = { 0};      while (fgets(sendbuf,  sizeof(sendbuf), stdin) !=  NULL)     {         sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf),  0, ( struct sockaddr *)&servaddr,  sizeof(servaddr));         ret = recvfrom(sock, recvbuf,  sizeof(recvbuf),  0,  NULL,  NULL);          if (ret == - 1)         {              if (errno == EINTR)                  continue;             ERR_EXIT( "recvfrom");         }         fputs(recvbuf, stdout);         memset(sendbuf,  0,  sizeof(sendbuf));         memset(recvbuf,  0,  sizeof(recvbuf));     }     close(sock); } int main( void) {      int sock;      if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM,  0)) <  0)         ERR_EXIT( "socket");     echo_cli(sock);      return  0; }

编译运行server，在两个终端里各开一个client与server交互，可以看到server具有并发服务的能力。用Ctrl+C关闭server，然后再运行server，此时client还能和server联系上。和前面TCP程序的运行结果相比较，我们可以体会无连接的含义。

二、UDP编程注意点

1、UDP报文可能会丢失、重复
2、UDP报文可能会乱序
3、UDP缺乏流量控制
4、UDP协议数据报文截断
5、recvfrom返回0，不代表连接关闭，因为udp是无连接的。
6、ICMP异步错误
7、UDP connect
8、UDP外出接口的确定

9、太大的UDP包可能出现的问题

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现，即123点所提到的。比如 如果发送端速度较快，而接收端较慢，很可能会产生 ICMP Source Quench Error，丢弃一些数据包。

对于第4点，可以写个小程序测试一下：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \          do \         { \                 perror(m); \                 exit(EXIT_FAILURE); \         }  while( 0) int main( void) {      int sock;      if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM,  0)) <  0)         ERR_EXIT( "socket");      struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr,  0,  sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons( 5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      if (bind(sock, ( struct sockaddr *)&servaddr,  sizeof(servaddr)) <  0)         ERR_EXIT( "bind");     sendto(sock,  "ABCD",  4,  0, ( struct sockaddr *)&servaddr,  sizeof(servaddr));      char recvbuf[ 1];      int n;      int i;      for (i =  0; i <  4; i++)     {          /* udp是报式协议，即若一次性接收的空间小于发来的数据，有可能造成报文截断，          * 但一定没有tcp的粘包问题  */         n = recvfrom(sock, recvbuf,  sizeof(recvbuf),  0,  NULL,  NULL);          if (n == - 1)         {              if (errno == EINTR)                  continue;             ERR_EXIT( "recvfrom");         }          else  if(n >  0)             printf( "n=%d %c\n", n, recvbuf[ 0]);     }      return  0; }

上述程序是自己发送数据给自己，发送了4个字节，但我们只提供1个字节的缓冲区recvbuf，第一次recvfrom 读取一个字节，但接下去循环却读不到剩下的数据了，因为udp 是报式协议，如果一次性接收的缓冲区小于发来的数据，有可能造成报文截断，反观tcp流式协议，可以一次读取一个数据包的一部分，也可以一次性读取多个数据包，但这也正是其会造成粘包问题的来源，所以也说udp 协议不会有粘包问题，因为一次就接收一个消息。输出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./trunc 
n=1 A

............

接收了一个字符之后，再次recvfrom 就阻塞了。

对于第5点，如果我们使用sendto 发送的数据大小为0，则发送给对方的是只含有各层协议头部的数据帧，recvfrom 会返回0，但并不代表对方关闭连接，因为udp 本身没有连接的概念。

第678点合起来一起讲，可以看到我们的客户端程序现在没有调用connect，不运行服务器程序，直接运行客户端程序，查看现象：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf

................

当我们在键盘敲入几个字符，sendto只是把Buf的数据拷贝到sock对应的缓冲区中，此时服务器未开启，协议栈返回一个ICMP异步错误，但因为前面没有调用connect“建立”一个连接，则recvfrom时不能收到这个错误而一直阻塞。现在我们在while 循环的外面添加一句：connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)); 再次测试一下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp 
dfsaf
recvfrom: Connection refused

此时recvfrom 就能接收到这个错误而返回了，并打印错误提示。

其实connect 并没有真正建立一个连接，即没有3次握手过程，只是维护了一种状态，绑定了远程地址，因为如此在调用sendto 时也可以不指定远程地址了，如 sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, NULL, 0);  甚至也可以使用send 函数

 send(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);

假设现在客户端有多个ip地址，由connect 或 sendto 函数提供的远程地址的参数，系统会选择一个合适的出口，比如远程ip 是192.168.2.10, 而客户端现在的ip 有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么会自动选择192.168.2.75 这个ip 出去。

关于第9点。假设现在我们发送一个8192B 的IP数据报，必须分片传输，如果此时目的地址arp 并没有缓存，那么每一片都会发起arp 请求，此时会造成 arp flooding（RFC 建议的最大发送速率是每秒一次）。此时每一片都在等待arp reply，系统实现只会将最后一片发送到目的地（ARP input queue  was LIFO ），也就是说，其他片都被丢弃了。对等方的IP层当接收到第一个到来的片时（不一定是偏移为0的片）会启动定时器，如果在30～60s 内的超时时间内没有接收到所有的片，则会丢弃所有接收到的片。但需要注意的是不一定会产生 ICMP "time exceeded during reassembly" error （ICMP 超时错误类型为11，code为0表示是TTL为0超时，code为1表示对方重组分片超时），只有在已经接收到偏移为0的片，即包含udp头部的片时才会产生此种错误，因为这个时候ICMP报文的接收方通过头部才知道是哪个进程发送的这个IP报文被丢弃了。实际上有没有产生ICMP超时报文并不是那么重要，因为系统假设TCP层 或者使用UDP的应用程序最终会timeout 导致重传。

参考：

《Linux C 编程一站式学习》

《TCP/IP详解 卷一》

《UNP》