网络编程 | UDP套接字通信及编程实现经验教程

1、UDP基础

        传输层主要应用的协议模型有两种，一种是TCP协议，另外一种则是UDP协议。在上一篇博客文章中，已经对TCP协议及如何编程实现进行了详细的梳理讲解，在本文中，主要讲解与TCP一样广泛使用了另一种协议：UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议。

        网络编程 | TCP套接字通信及编程实现经验教程_tcp套接字通讯-CSDN博客

        TCP协议在网络通信中占主导地位，绝大多数的网络通信借助TCP协议完成数据传输。但UDP也是网络通信中不可或缺的重要通信手段。相较于TCP而言，UDP通信的形式更像是发短信。不需要在数据传输之前建立、维护连接。只专心获取数据就好。省去了三次握手的过程，通信速度可以大大提高，但与之伴随的通信的稳定性和正确率便得不到保证。因此，我们称UDP为“无连接的不可靠的报文传输协议”。

        每个 UDP 报文分为 UDP 报头和 UDP 数据区两部分。其中，报头由 4 个 16 位长（2 字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度和校验值。

①、源端口：16位长（2字节），标识发送该报文的进程端口号。如果不需要回复，则可以设置为0。

②、目的端口：同样是16位长（2字节），标识接收该报文的目标进程端口号。

③、报文长度：16位长（2字节），表示整个UDP报文（包括报头和数据区）的长度，单位是字节。最小值为8字节，即只有UDP报头而没有数据的情况。

④、校验值：16位长（2字节），用于错误检查。它覆盖了UDP报头和数据以及一个伪头部的信息。计算时还包括IP头部的一些字段来确保数据在传输过程中没有被修改。如果校验和未计算（通常是为了提高效率），则此字段设置为0。

UDP的特点：

①、无连接：与TCP不同，UDP在传输数据前不需要建立连接，减少了通信的准备时间。

②、不可靠传输：没有像TCP那样的确认机制、重传机制以及流量控制，因此无法保证数据能够准确无误地到达接收端。

③、面向数据报：每个UDP报文独立处理，大小限制通常为64KB以内，包括头部信息。

④、全双工操作：允许同时进行双向的数据传输。

⑤、高效性：由于省去了连接建立的过程，UDP具有较低的延迟和较高的传输效率。

UDP的应用场景：

①、实时性要求高的应用：例如视频会议、电话会议等需要快速传递信息的服务，即使偶尔丢失一些数据包也不会严重影响整体体验。

②、对少量数据丢失容忍度高的应用：比如在线游戏、VoIP等，这类应用更注重数据传输的速度而非完整性。

③、广播/组播通信：UDP支持一对多的通信模式，适合用于广播或组播式的信息发布。

④、即时通讯软件：许多即时通讯工具使用UDP来实现文本消息及音视频通话功能，因为它可以提供更快的响应速度。

解决UDP丢包问题的方法：

①、服务器端设计流量控制：通过调整发送速率避免因过快发送数据而导致的丢包现象。

②、调整接收缓冲区大小：利用setsockopt函数动态修改接收缓冲区容量，以适应不同的网络状况。

        为了便于读者更加直观的理解UDP，并了解UDP和TCP之间的最明显的区别，绘制了如下所示的简易图。

2、UDP通信流程

        相比于TCP，由于UDP是无连接的协议，任何一方都可以在任意时刻发送数据报给另一方，服务器和客户端的界限并没有那么清晰，且客户端与服务器的通信代码流程几乎相同，也就没有非常严格的客户端与服务器之分。但为了保持程序代码框架的逻辑清晰以及便于理解和维护，因此还是需要指定一端作为服务器、另一端作为客户端。

        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，保证通讯可靠性的机制需要在上层应用层中根据需要，通过优化程序的逻辑架构来完善。

3、UDP通信代码

3.1、UDP常用API接口

（1）、socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

函数功能：
    用于创建一个新的套接字，它支持多种协议和地址族，可以用来实现不同类型的网络通信。
参数说明：
    domain: 指定通信域，常用的有：
        AF_INET：IPv4互联网协议族。
        AF_INET6：IPv6互联网协议族。
    type: 指定套接字类型，对于UDP应使用：
        SOCK_DGRAM：支持UDP协议的数据报套接字。
    protocol: 指定使用的协议。对于UDP来说，虽然可以指定为IPPROTO_UDP，但更常见的是设置为0，表示使用由type参数决定的默认协议（在这种情况下就是UDP）。
返回值：
    成功时，返回一个非负整数，代表新创建的套接字描述符。
    失败时，返回-1，并且会设置全局变量errno来指示具体的错误原因。

（2）、bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数功能：
    为套接字sockfd分配一个本地地址addr。如果要接收发送到特定端口的数据报时，必须先调用此函数。
参数说明：
    sockfd:由socket()函数创建的套接字描述符。
    addr:指向sockaddr结构的指针，该结构包含欲绑定到套接字的地址信息。对于IPv4，通常使用sockaddr_in结构，并需要将其转换为sockaddr*类型来传递给bind()。
    addrlen:addr参数所指向的数据结构的大小，以字节为单位。对于IPv4的sockaddr_in结构体，通常是sizeof(struct sockaddr_in)。
返回值：
    成功时，返回0。
    失败时，返回-1，并设置errno变量指示错误原因。

（3）、sendto

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

函数功能
    用于从套接字 sockfd 发送数据。当使用 UDP 协议时，这个函数可以将数据报发送到由 dest_addr 指定的目的地。
参数说明
    sockfd: 已经创建好的UDP套接字描述符。
    buf: 指向要发送的数据缓冲区的指针。
    len: 缓冲区 buf 中数据的长度（以字节为单位）。
    flags: 调用操作选项，通常设置为0。
    dest_addr: 目标地址，指向一个包含目标IP地址和端口号的 sockaddr 结构体。对于IPv4，这通常是 sockaddr_in 类型的结构体。
    addrlen: dest_addr参数所指向的数据结构的大小，以字节为单位。
返回值
    成功时，返回实际发送的字节数。
    失败时，返回 -1，并设置 errno 变量指示错误原因。

（4）、recvfrom

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

函数功能
    用于从套接字 sockfd 接收数据。此函数可以接收来自任意发送方的UDP数据报，并可选性的保存发送方的地址信息。
参数说明
    sockfd: 已经创建并绑定到本地地址的UDP套接字描述符。
    buf: 指向缓冲区的指针，用于存储接收到的数据。
    len: 缓冲区 buf 的大小（以字节为单位）。
    flags: 调用操作选项，通常设置为0。
    src_addr: 指向一个 sockaddr 结构体的指针，该结构体将保存发送方的地址信息。如果不需要获取发送方地址，此参数可以为NULL。
    addrlen: 指向 socklen_t 类型变量的指针，表示 src_addr 结构体的大小。调用前应初始化为该结构体的大小；返回时包含实际存储在 src_addr 中的地址信息长度。
返回值
    成功时，返回实际接收到的字节数。
    失败时，返回 -1，并设置 errno 变量指示错误原因。

（5）、close

#include <unistd.h>
int close(int fd);

函数功能
    关闭由文件描述符 fd 指定的文件或套接字，并释放所有与之相关的资源。
函数参数
    fd: 要关闭的文件描述符或套接字描述符。
返回值
    成功时返回 0。
    失败时返回 -1，并设置 errno 变量来指示错误类型。

3.2、UDP参考程序

（1）UDP 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define SERVER_IP "127.0.0.1"

int main(int argc, char **argv)
{
    int sock_client;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    char message[1024];
    char buffer[1024];
    socklen_t addrLen = sizeof(cliaddr);
    
    // 创建UDP套接字
    if ((sock_client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) 
    {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("UDP client socket create success!\n");

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    
    while(1) 
    {
        printf("Input data to send to server: ");
        fgets(message, 1024, stdin);
        
        // 发送数据到服务器
        sendto(sock_client, (const char *)message, strlen(message), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
        
        // 接收来自服务器的数据
        ssize_t n = recvfrom(sock_client, (char *)buffer, 1024, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &addrLen);
        buffer[n] = '\0';
        
        // 打印接收到的消息、服务器IP地址和端口号
        printf("Received from udp server: %s", buffer);
        printf("Server IP: %s\tPort: %d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));
    }
    
    close(sock_client);
    
    return 0;
}

（2）UDP服务器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080

int main(int argc, char **argv) 
{
    int sock_server;
    char buffer[1024];
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len;

    // 创建UDP套接字
    if ((sock_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) 
    {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("UDP server socket create success!\n");

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));
    
    servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到指定端口
    if (bind(sock_server, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) 
    {
        perror("bind failed");
        close(sock_server);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server is listening on port %d...\n", PORT);

    while(1) 
    {
        len = sizeof(cliaddr);
        // 接收来自客户端的数据
        ssize_t n = recvfrom(sock_server, (char *)buffer, 1024, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &len);
        buffer[n] = '\0';
        
        // 打印接收到的消息、客户端IP地址和端口号
        printf("Received from UDP client: %s", buffer);
        printf("Client IP: %s\tPort: %d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));

        // 发送数据回客户端
        sendto(sock_server, (const char *)buffer, strlen(buffer), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *) &cliaddr, len);
    }

    close(sock_server);

    return 0;
}

        上述代码的验证结果如下如下所示。