UDP协议和Socket编程

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一、UDP的特点

UDP（User Datagram Protocol，用户数据协议）是互联网协议套件中的一种传输层协议，与广泛使用的TCP（Tramsmission Control Protocol，传输控制协议）相比，它是一种无连接、不可靠的协议。UDP被用于对传输速度要求较高、但对可靠性要求较低的场景。

二、TCP和UDP的区别

UDP（用胡数据报协议）和TCP（传输控制协议）都是传输层协议，负责在网络中传输数据，但它们的设计目标和实现方式有很大的区别。
以下是UDP和TCP的主要区别：

三、UDP的包头格式

1. UDP伪首部（Pseudo Header）
   伪首部适用于计算校验和的虚拟头部信息，它不包含在实际传输的数据中，但用于保证数据完整性。伪首部包含以下字段

• 32位源IP地址：表示数据包的源IP地址，即发送方的IP地址
• 32位目的IP地址：表示数据包的目的IP地址，即接收方的IP地址
• 0：固定填充的8位0字段，不使用
• 8位协议（17）：标识传输协议类型。对于UDP协议来说，这个字段的值是17
• 16位UDP长度：表示整个UDP数据报的长度，包括UDP首部和数据部分

2. UDP首部
   UDP首部是真正的数据报头部，它包含了与UDP通信相关的基本信息。UDP首部固定为8字节，包含以下字段：

• 16位源端口号：发送方的端口号，标识发送数据的应用程序。如果不需要，值可以为0
• 16位目的端口号：接收方的端口号，表示接收数据的应用程序
  16位UDP长度：表示UDP报文的总长度（包括UDP首部和数据部分）。由于UDP首部固定为8字节，因此长度至少为8
• 16位UDP校验和：用于确保数据报在传输过程中没有被破坏。它由UDP伪首部、UDP首部和数据部分计算而得。如果发送方不计算校验和，则该字段可以为0。

3. 数据部分
   UDP数据报的实际数据内容。数据部分的长度可以根据具体的应用需求而变化，但必须与首部中的UDP长度字段保持一致

4. 填充字段（0）
   数据包需要一定的字节对齐规则（如32位对齐）填充到合适的长度，以确保数据包的完整性和便于传输

5. 重点

• UDP伪首部并不实际存在于UDP报文中，它仅在计算校验和时使用，用于提供更多的上下文（如IP地址）来验证数据的完整性
• UDP首部非常简单，仅有8字节，保证了UDP的轻量和高效
• UDP数据：携带的实际传输数据，长度可以根据应用而变化
  这个图展示了UDP协议的简单性和高效性，因为UDP协议不需要复杂的连接管理或传输控制机制。

四、UDP Socket编程流程

1. UDP客户端流程

• socket（）：创建一个UDP套接字（Socket）。这是启动UDP通信的第一步，客户端通过调用socket（）函数生成一个用于通信的套接字
• sendto（（）：向服务器发送数据。客户端使用sendto（）函数来将数据报发送到指定的服务器IP地址和端口。这是一个无连接的操作，不需要事先建立连接
• 等待响应：客户端待用recvform（）函数，进入阻塞状态，等待从服务器返回的数据。recvform（）会接收来自服务器的数据报，函数会在接收到数据后解除阻塞。
• recvform（）：接收到服务器返回的数据后，继续处理该数据。
• close（）：通信完成后，关闭客户端套接字，释放系统资源。

2. UDP服务器流程

• socket（）：与客户端一样，服务器首先创建一个UDP套接字，通过调用socket（）函数。
• bind（）：将套接字与指定的IP地址和端口绑定。服务器必须绑定到一个特定的端口上。这样才能接收来自客户端的数据，bind（）是服务器端持有的操作，客户端通常不需要显式的调用bind（）
• recvform（）：服务器使用recvform（）接收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到接收到数据为止。
• 处理请求：收到数据后，服务器使用recvform（）接收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到接收到数据为止。
• sendto（）：处理完成后，服务器通过sendto（）向客户端发送响应数据。
• 继续等待：服务器可以继续调用recvform（）来接收下一个数据请求

3. 图中的其他元素

• 阻塞直到收到数据：无论是客户端还是服务器，调用recvform（）后，程序会进入阻塞状态，等待对方发送数据，这是一个UDP通信中的常见模式
• 数据请求和数据响应：图中显示了客户端向服务器发送请求数据，服务器处理后会返回响应数据的流程。

4. UDP通信的特点

• 无连接：UDP协议是无连接的，客户端不需要先与服务器建立连接，直接发送数据。服务器收到数据后可以立即处理。
• 阻塞模式：图中显示的recvform（）操作是阻塞的，直到有数据到来才会继续执行
• 简单轻量：由于UDP不需要维护连接状态，它比TCP更加简单和轻量，适用于对实时性要求高但是对数据可靠性要求较低的场景。

五、UDP代码实现

1. UDP服务器代码实现

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main()
{
    int sockfd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

    //创建UDPsocket
    sockfd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd<0)
    {
        cerr<<"socket error"<<endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;   //IPv4
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //监听所有地址
    server_addr.sin_port = htons(PORT);      //端口号

    //绑定socket到地址
    if(bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr))<0)
    {
        cerr<<"bind error"<<endl;
        clsoe(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    cout<<"Server is listening on port "<<PORT<<endl;

    while(true)
    {
        //接收消息
        int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
        buffer[n]='\0';
        cout<<"Client:"<<buffer<<endl;

        //响应消息
        const char* message="Message received!!!";
        sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
    }
    close(sockfd);


    return 0;
}

2. UDP客户端代码实现

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

#define PORT 8080   // 端口号
#define BUFFER_SIZE 1024  // 缓冲区大小
#define IP "127.0.0.1"  //定义服务器地址

int main()
{
    int sockfd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in server_addr;

    //创建UDP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd <0)
    {
        cerr<<"Socket creation faliure"<<endl;
        return -1;
    }
    //配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    //使用inet_pton将IP地址从字符串转换为网络字节序
    if(inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr)<=0)
    {
        cerr<<"Invalid address/Address not supported"<<endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    while(true)
    {
        //发送消息到服务器
        string message;
        cout<<"Enter message: ";
        getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入

        //发送消息
        int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
        if(send_result<0)
        {
            cerr<<"Failed to send message"<<endl;
            break;
        }

        //接收服务器的响应
        socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
        int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
        if(n<0)
        {
            cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
            break;
        }
        buffer[n]='\0';
        cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
    }
    close(sockfd);


    return 0;
}

3. Windows客户端的代码实现

• 头文件和库的引入
• • 在Windows中需要引入winsock2.h和ws2tcpip.h，并且需要链接Ws2_32.lib库
• Winsock初始化和清理
• • 在Windows中，使用网络功能之前需要调用WSAStartup（）进行初始化，使用完毕后需要调用WSACleanup（）释放资源
• Windows和Linux之间的一些差异
• • close（）在Windows上对应的是closesocket（）
• • perroor（）函数在Windows上不常用，通常使用std：：cerr输出错误

#include <iostream>
#include <string>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
using namespace std;
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")   //链接ws2_32.lib库

#define PORT 8080   // 端口号
#define BUFFER_SIZE 1024  // 缓冲区大小
#define IP "127.0.0.1"  //定义服务器地址
int main()
{
    WSADATA wsaData;   // 用于初始化WinSock
    SOCKET sockfd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in server_addr;

    //初始化WinSock
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
    {
        cout << "WSAStartup failed." << endl;
        return 1;
    }

    //创建UDP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << "socket failed." << endl;
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    //配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    // inet_pton函数用于将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的二进制地址
    if (inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr) <= 0)
    {
        cout << "inet_pton failed." << endl;
        closesocket(sockfd);
        WSACleanup();
        return 1;
    }
    while(true)
    {
        //发送消息到服务器
        string message;
        cout<<"Enter message: ";
        getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入

        //发送消息
        int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
        if(send_result<0)
        {
            cerr<<"Failed to send message"<<endl;
            break;
        }

        //接收服务器的响应
        socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
        int n=recvfrom(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
        if(n<0)
        {
            cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
            break;
        }
        buffer[n]='\0';
        cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
    }
    closesocket(sockfd);
    WSACleanup();


}

六、函数细节

1. 关于recvform（）函数
   recvform（）函数是套接字编程中用于从他套接字接收数据的一个函数，特别用于UDP协议下的数据接收。它允许程序从一个未连接的套接字（如UDP套接字）接收数据报。下面是对recvform（）函数及其参数int n=recvform（sockfd，buffer，BUFFER_SIZE，0，nullptr，nullptr）;的详细解释：

• 函数原型

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

• 参数解释：
• • sockfd：套接字描述符，这个套接字通常是通过socket（）函数创建的，并且绑定到了一个特定的端口（对于UDP来说）
• • buf：指定数据缓冲区的指针，这个缓冲区用于存储接收到的数据。接收的数据会被复制到这个缓冲区中
• • flags：标志位，用于修改recvform的行为，常用的标志包括MSG_PEEK（查看数据但不从队列中移除），MSG_WAITALL（请求阻塞操作直到接收到完整的请求数据，但这对于UDP来说通常不适用，因为UDP是无连接的、数据报驱动的协议）等。
• • src_addr：：指向sockaddr结构体的指针，用于存储发送方的地址信息。如果不需要这个信息，可以传递nullptr。。。
• • addrlen：指向socklen_t变量的指针，该变量在带哦用前应该被初始化位src_addr所指向的地址结构的大小。在函数被调用后，这个变量会被更新为实际存储在src_addr中的地址结构的大小。如果src_addr是nullptr，则addrlen也应该是nullptr。
• 返回值：recvform（）函数
  返回成功接收到的字节数。如果返回0，表示连接已正常关闭（但这对UDP来说并不常见，因为UDP是无连接的），如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查。

2. 关于memset
   memset是一个C/C++标准库函数，用于将一块内存区域的内容设置为指定的值。它通常用于初始化数组或结构体，以确保在使用这些数据之前内存中的内容是已知的。memset函数定义在（C++）中或《string.h》（C）头文件中。

• 函数原型

void * memset（void *ptr，int value，size_t num）;

• 参数说明
• • ptr：指向要设置的内存块的指针
• • value：要设置的值，这个值会被转换成unsigned char类型，并且将其填充到内存块中
• • num：要设置的字节数

3. 关于sendto（）函数
   sendto函数是套接字编程中用于发送数据的一个函数，特别适用于UDP协议下的数据发送。它允许程序向指定的地址发送数据报。

• 函数原型

ssize_t sendto（int sockfd ，const void *buf，size_t len，int flags,const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen）;

• 参数解释

• • sockfd：套接字描述符，对于UDP来说，它可能还没有通过connect函数与特定的远程地址关联
• • buf：只想数据缓冲区的指针
• • len：指定了buf缓冲区的长度
• • flags：标志位，用于修改sendto的行为。常用的标志包括MSG_CONFIRM（请求确认消息已发送）、MSG_TROUTE（绕过路由表直接发送）等。
• • dest_addr：指向sockaddr结构体的指针，用于指定接收方的地址信息。这个结构体包含了目标主机的IP地址和端口号。

• addrlen：指定了dest_addr所指向的地址结构的大小。这个值是通过sizeof操作符获取的

• 返回值：sendto（）函数返回成功发送的字节数。如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查

4. WASDATA结构体
   WASDATA是Windows Sockets API（Winsock）中的一个结构体，包含有关Windows Sockets的实现版本和系统的配置信息。在调用WSAStartup（）函数时，应用程序必须传递该结构体的指针，以便Winsock初始化并返回相关信息。

• WSADATA结构体定义在<winsock2.h>头文件中，具体如下：

typedef struct WSAData{
	WORD wVersion；  //Winsock实现的版本号
	WORD wHighVersion；//支持的最高版本号
	char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1]；//描述Winsock的文本字符串
	char szSystemStatus[WSASYSSTATUS_LEN+1]；//当前的状态或配置
	unsigned short iMaxSockets;//系统支持的最大套接字数
	unsigned short iMaxUdpDg；//支持的最大UDP数据报大小
	char *IpVendorInfo；//供应商特定的信息	
}WSADATA，*LPWSADATA;

七、UDP的挑战