Linux下UDP编程
一.概念介绍
1.socket 是什么？
socket（套接字）本质上是一个抽象的概念，它是一组用于网络通信的 API，提供了一种统一的接口，使得应用程序可以通过网络进行通信。在不同的操作系统中，socket 的实现方式可能不同，但它们都遵循相同的规范和协议，可以实现跨平台的网络通信。
2.socket实现通信的原理是基于网络协议栈。
协议栈是一个由多个层次协议组成的网络协议体系结构，它负责对数据进行封装和解封装，并确保数据能够在网络上正确传输。
当应用程序通过 socket 发送数据时，操作系统会将数据传递给协议栈的上层协议，该协议会对数据进行封装并添加一些必要的信息，例如目标 IP 地址和端口号等。然后将封装后的数据传递给下一层协议，直到数据最终被封装成一个网络包并通过网络发送到目标主机。
当目标主机收到网络包后，协议栈会对数据进行解封装，并将数据传递给操作系统中的套接字。如果该套接字是一个监听套接字，操作系统会创建一个新的套接字来处理连接请求，并将新的套接字加入到协议栈中。如果该套接字是一个已连接套接字，操作系统会将数据传递给应用程序处理。
3.socket 是一个系统接口函数，由操作系统提供，用于实现网络编程的功能。通过 socket 函数，应用程序可以创建套接字、绑定地址、监听连接、发送和接收数据等操作，从而实现网络通信。
二.API介绍
1.创建套接字的函数是socket()
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
- 其中 “int domain”参数表示套接字要使用的协议簇，协议簇的在“linux/socket.h”里有详细定义，常用的协议簇：
AF_UNIX（本机通信）
AF_INET（TCP/IP – IPv4）
AF_INET6（TCP/IP – IPv6）
- 其中 “type”参数指的是套接字类型，常用的类型有：
SOCK_STREAM（TCP流）
SOCK_DGRAM（UDP数据报）
SOCK_RAW（原始套接字）
- 最后一个 “protocol”一般设置为“0”，也就是当确定套接字使用的协议簇和类型时，这个参数的值就为0，但是有时候创建原始套接字时，并不知道要使用的协议簇和类型，也就是domain参数未知情况下，这时protocol这个参数就起作用了，它可以确定协议的种类。
socket是一个函数，那么它也有返回值，当套接字创建成功时，返回套接字，失败返回“-1”，错误代码则写入“errno”中。
*/
// 实例
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/socket.h>
int sock_fd_tcp;
int sock_fd_udp;
sock_fd_tcp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建tcp通讯的套接字
sock_fd_udp = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建udp通讯的套接字
if(sock_fd_tcp < 0) {
perror("TCP SOCKET ERROR!\n");
exit(-1);
}
if(sock_fd_udp < 0) {
perror("UDP SOCKET ERROR!\n");
exit(-1);
}
2.地址与端口设置的结构体 sockaddr_in
#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
};
struct in_addr{
unsigned long s_addr; // 这是一个无符号32位整数，用于存储IPv4地址
};
/*
sin_family表示地址类型，对于基于TCP/IP传输协议的通信，该值只能是AF_INET；
sin_prot表示端口号，例如：21 或者 80 或者 27015，总之在0 ~ 65535之间；
sin_addr表示32位的IP地址，例如：192.168.1.5 或 202.96.134.133；
sin_zero表示填充字节，一般情况下该值为0；
Socket数据的赋值实例：
*/
// 实例
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr)); // 将结构体清零 主要是sin_zero表示填充字节为零
addr.sin_family = AF_INET; //（TCP/IP – IPv4）
addr.sin_port = htons(port_out); // 绑定端口号 htons将一个无符号短整型数值转换为网络字节序
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定IP htonl就是把ip字节顺序转化为网络字节顺序
// INADDR_ANY 泛指机器所有的IP因为有些电脑不只有一个网卡；INADDR_ANY 是一个宏，表示“任意地址”，通常用于服务器在绑定套接字时指定其愿意监听的地址。通常被赋值为 0.0.0.0 的网络字节序表示。
3.把名字和套接字相关联 bind()
int bind( int sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t * addrlen);
/*
当用socket()函数创建套接字以后，套接字在名称空间(网络地址族)中存在，但没有任何地址给它赋值。bind()把用addr指定的地址赋值给用文件描述符代表的套接字sockfd。addrlen指定了以addr所指向的地址结构体的字节长度。一般来说，该操作称为“给套接字命名”。
通常，在一个SOCK_STREAM套接字接收连接之前，必须通过bind()函数用本地地址为套接字命名。
*/
// 实例
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in addr;
socklen_t addr_len = sizeof(addr);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){
printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_out);
close(sockfd);
return false;
}
4.接收消息的函数recvfrom()
int recvfrom(int sockfd, void * buf, size_t len, int flags, struct sockaddr * src_addr, socklen_t * addrlen);
/*
recvfrom: 用于接收数据
- sockfd：用于接收UDP数据的套接字；
- buf：保存接收数据的缓冲区地址；
- len：可接收的最大字节数（不能超过buf缓冲区的大小）；
- flags：可选项参数，若没有可传递0；
- src_addr：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址；
- addrlen：保存参数 src_addr的结构体变量长度的变量地址值。
*/
5.发送消息的函数sendto()
int sendto(int sockfd, const void * buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr * dest_addr, socklen_t addrlen);
/*
sendto:用于发送数据
- sockfd：用于传输UDP数据的套接字；
- buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
- len：带传输数据的长度（以字节计）；
- flags：可选项参数，若没有可传递0；
- dest_addr：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
- addrlen：传递给参数 dest_addr的地址值结构体变量的长度。
*/
注意：UDP套接字不会保持连接状态，每次传输数据都要添加目标地址信息，这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。
三.代码示例
1.udp server
#include<sys/select.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
int main(){
//同一台电脑测试，需要两个端口
int port_in = 12321;
int port_out = 12322;
int sockfd;
// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(-1==sockfd){
return false;
puts("Failed to create socket");
}
// 设置地址与端口
struct sockaddr_in addr;
socklen_t addr_len = sizeof(addr);
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; // Use IPV4
addr.sin_port = htons(port_out); //
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// Time out
struct timeval tv;
tv.tv_sec = 0;
tv.tv_usec = 200000; // 200 ms
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char*)&tv, sizeof(struct timeval));
// Bind 端口，用来接受之前设定的地址与端口发来的信息,作为接受一方必须bind端口，并且端口号与发送方一致
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){
printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_out);
close(sockfd);
return false;
}
char buffer[128];
memset(buffer, 0, 128);
int counter = 0;
while(1){
struct sockaddr_in src;
socklen_t src_len = sizeof(src);
memset(&src, 0, sizeof(src));
// 阻塞住接受消息
int sz = recvfrom(sockfd, buffer, 128, 0, (sockaddr*)&src, &src_len);
if (sz > 0){
buffer[sz] = 0;
printf("Get Message %d: %s\n", counter++, buffer);
}
else{
puts("timeout");
}
}
close(sockfd);
return 0;
}
2.udp client
#include<sys/select.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
int main(){
int port_in = 12321;
int port_out = 12322;
int sockfd;
// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(-1==sockfd){
return false;
puts("Failed to create socket");
}
// 设置地址与端口
struct sockaddr_in addr;
socklen_t addr_len=sizeof(addr);
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; // Use IPV4
addr.sin_port = htons(port_in); //
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// Time out
struct timeval tv;
tv.tv_sec = 0;
tv.tv_usec = 200000; // 200 ms
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char*)&tv, sizeof(struct timeval));
// 绑定获取数据的端口，作为发送方，不绑定也行
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){
printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_in);
close(sockfd);
return false;
}
int counter = 0;
while(1){
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port_out);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
sendto(sockfd, "hello world", 11, 0, (sockaddr*)&addr, addr_len);
printf("Sended %d\n", ++counter);
sleep(1);
}
close(sockfd);
return 0;
}
3.测试结果
