【轉】Linux編程之UDP SOCKET全攻略

時間  2019-11-10
標籤 linux 編程 udp socket 攻略 欄目 Linux 简体版
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轉自：http://www.cnblogs.com/skyfsm/p/6287787.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral　　html

這篇文章將對linux下udp socket編程重要知識點進行總結，不管是開發人員應知應會的，仍是說udp socket的一些偏僻知識點，本文都會講到。儘量作到，讀了一篇文章以後，你們對udp socket有一個比較全面的認識。本文分爲兩個專題，第一個是經常使用的upd socket框架，第二個是一些udp socket並不經常使用但又至關重要的知識點。linux

 

1、基本的udp socket編程編程

1. UDP編程框架
要使用UDP協議進行程序開發，咱們必須首先得理解什麼是什麼是UDP？這裏簡單歸納一下。

UDP（user datagram protocol）的中文叫用戶數據報協議，屬於傳輸層。UDP是面向非鏈接的協議，它不與對方創建鏈接，而是直接把我要發的數據報發給對方。因此UDP適用於一次傳輸數據量不多、對可靠性要求不高的或對實時性要求高的應用場景。正由於UDP無需創建類如三次握手的鏈接，而使得通訊效率很高。

UDP的應用很是普遍，好比一些知名的應用層協議（SNMP、DNS）都是基於UDP的，想想，若是SNMP使用的是TCP的話，每次查詢請求都得進行三次握手，這個花費的時間估計是使用者不能忍受的，由於這會產生明顯的卡頓。因此UDP就是SNMP的一個很好的選擇了，要是查詢過程發生丟包錯包也不要緊的，咱們再發起一個查詢就行了，由於丟包的狀況很少，這樣總比每次查詢都卡頓一下更容易讓人接受吧。

UDP通訊的流程比較簡單，所以要搭建這麼一個經常使用的UDP通訊框架也是比較簡單的。如下是UDP的框架圖。數組

由以上框圖能夠看出，客戶端要發起一次請求，僅僅須要兩個步驟（socket和sendto），而服務器端也僅僅須要三個步驟便可接收到來自客戶端的消息（socket、bind、recvfrom）。服務器

2. UDP程序設計經常使用函數網絡

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
參數domain:用於設置網絡通訊的域，socket根據這個參數選擇信息協議的族
Name                                     Purpose                         
AF_UNIX, AF_LOCAL          Local communication              
AF_INET                           IPv4 Internet protocols          //用於IPV4
AF_INET6                         IPv6 Internet protocols          //用於IPV6
AF_IPX                             IPX - Novell protocols
AF_NETLINK                     Kernel user interface device     
AF_X25                            ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol   
AF_AX25                          Amateur radio AX.25 protocol
AF_ATMPVC                      Access to raw ATM PVCs
AF_APPLETALK                 AppleTalk                        
AF_PACKET                      Low level packet interface       
AF_ALG                           Interface to kernel crypto API
 
對於該參數咱們僅需熟記AF_INET和AF_INET6便可
 
小插曲：PF_XXX和AF_XXX
咱們在看Linux網絡編程相關代碼時會發現PF_XXX和AF_XXX會混着用，他們倆有什麼區別呢？如下內容摘自《UNP》。
AF_前綴表示地址族（Address Family），而PF_前綴表示協議族（Protocol Family）。歷史上曾有這樣的想法：單個協議族能夠支持多個地址族，PF_的值能夠用來建立套接字，而AF_值用於套接字的地址結構。但實際上，支持多個地址族的協議族歷來就沒實現過，而頭文件<sys/socket.h>中爲一給定的協議定義的PF_值老是與此協議的AF_值相同。
因此我在實際編程時仍是偏向於使用AF_XXX。
 
參數type（只列出最重要的三個）:
SOCK_STREAM         Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams.   //用於TCP
SOCK_DGRAM          Supports datagrams (connectionless, unreliable messages ). //用於UDP
SOCK_RAW              Provides raw network protocol access.  //RAW類型，用於提供原始網絡訪問
 
參數protocol：置0便可
返回值：成功：非負的文件描述符
           失敗：-1 
#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);
第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，經過socket得到
第二個參數buf：發送緩衝區，每每是使用者定義的數組，該數組裝有要發送的數據
第三個參數len:發送緩衝區的大小，單位是字節
第四個參數flags:填0便可
第五個參數dest_addr:指向接收數據的主機地址信息的結構體，也就是該參數指定數據要發送到哪一個主機哪一個進程
第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度
返回值：成功：返回發送成功的數據長度
           失敗： -1 
#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);
第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，經過socket得到
第二個參數buf：接收緩衝區，每每是使用者定義的數組，該數組裝有接收到的數據
第三個參數len:接收緩衝區的大小，單位是字節
第四個參數flags:填0便可
第五個參數src_addr:指向發送數據的主機地址信息的結構體，也就是咱們能夠從該參數獲取到數據是誰發出的
第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度
返回值：成功：返回接收成功的數據長度
           失敗： -1 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);
第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，經過socket得到
第二個參數my_addr:須要綁定的IP和端口
第三個參數addrlen：my_addr的結構體的大小
返回值：成功：0
           失敗：-1 
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close函數比較簡單，只要填入socket產生的fd便可。
 

3. 搭建UDP通訊框架框架

server：less

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
    char buf[BUFF_LEN];  //接收緩衝區，1024字節
    socklen_t len;
    int count;
    struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用於記錄發送方的地址信息
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        len = sizeof(clent_addr);
        count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是擁塞函數，沒有數據就一直擁塞
        if(count == -1)
        {
            printf("recieve data fail!\n");
            return;
        }
        printf("client:%s\n",buf);  //打印client發過來的信息
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回覆client
        printf("server:%s\n",buf);  //打印本身發送的信息給
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //發送信息給client，注意使用了clent_addr結構體指針

    }
}


/*
    server:
            socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int server_fd, ret;
    struct sockaddr_in ser_addr; 

    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
    if(server_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，須要進行網絡序轉換，INADDR_ANY：本地地址
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口號，須要網絡序轉換

    ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    if(ret < 0)
    {
        printf("socket bind fail!\n");
        return -1;
    }

    handle_udp_msg(server_fd);   //處理接收到的數據

    close(server_fd);
    return 0;
}

client：dom

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "172.0.5.182"


void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
{

    socklen_t len;
    struct sockaddr_in src;
    while(1)
    {
        char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
        len = sizeof(*dst);
        printf("client:%s\n",buf);  //打印本身發送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收來自server的信息
        printf("server:%s\n",buf);
        sleep(1);  //一秒發送一次消息
    }
}

/*
    client:
            socket-->sendto-->revcfrom-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int client_fd;
    struct sockaddr_in ser_addr;

    client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(client_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意網絡序轉換
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意網絡序轉換

    udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

    close(client_fd);

    return 0;
}
以上的框架用於一臺主機不一樣端口的UDP通訊，現象以下：
咱們先創建server端，等待服務；而後咱們創建client端請求服務。
server端：

 

client端：socket

本身主機跟本身通訊不是很爽，咱們想跟其餘主機通訊怎麼搞？很簡單，上面client的代碼的第49行的註釋打開，並註釋掉下面那行，在宏定義裏填入本身想通訊的serverip就能夠了。現象以下：
server端：
client端：

 

這樣咱們就實現了主機172.0.5.183和172.0.5.182之間的網絡通訊。
 
UDP通用框架搭建完成，咱們能夠利用該框架跟指定主機進行通訊了。
 
若是想學習UDP的基礎知識，以上的知識就足夠了；若是想繼續深刻學習一下UDP SOCKET一些高級知識（奇技淫巧），能夠花點時間往下看。
 
2、高級udp socket編程

1. udp的connect函數
什麼？UDP也有conenct？connect不是用於TCP編程的嗎？
是的，UDP網絡編程中的確有connect函數，但它僅僅用於表示肯定了另外一方的地址，並無其餘含義。
有了以上認識後，咱們能夠知道UDP套接字有如下區分：
1）未鏈接的UDP套接字
2）已鏈接的UDP套接字

對於未鏈接的套接字，也就是咱們經常使用的的UDP套接字，咱們使用的是sendto/recvfrom進行信息的收發，目標主機的IP和端口是在調用sendto/recvfrom時肯定的；

在一個未鏈接的UDP套接字上給兩個數據報調用sendto函數內核將執行如下六個步驟：
1）鏈接套接字
2）輸出第一個數據報
3）斷開套接字鏈接
4）鏈接套接字
5）輸出第二個數據報
6）斷開套接字鏈接

對於已鏈接的UDP套接字，必須先通過connect來向目標服務器進行指定，而後調用read/write進行信息的收發，目標主機的IP和端口是在connect時肯定的，也就是說，一旦conenct成功，咱們就只能對該主機進行收發信息了。

已鏈接的UDP套接字給兩個數據報調用write函數內核將執行如下三個步驟：
1）鏈接套接字
2）輸出第一個數據報
3）輸出第二個數據報

由此能夠知道，當應用進程知道給同一個目的地址的端口號發送多個數據報時，顯示套接字效率更高。

下面給出帶connect函數的UDP通訊框架

 

 

 具體框架代碼再也不給出了，由於跟上面不帶connect的代碼大同小異，僅僅多出一個connect函數處理而已，下面給出處理conenct()的基本步驟。

void udp_handler(int s, struct sockaddr* to)
{
    char buf[1024] = "TEST UDP !";
    int n = 0;
    connect(s, to, sizeof(*to);
 
    n = write(s, buf, 1024);
 
    read(s, buf, n);
}

2. udp報文丟失問題
由於UDP自身的特色，決定了UDP會相對於TCP存在一些難以解決的問題。第一個就是UDP報文缺失問題。
在UDP服務器客戶端的例子中，若是客戶端發送的數據丟失，服務器會一直等待，直到客戶端的合法數據過來。若是服務器的響應在中間被路由丟棄，則客戶端會一直阻塞，直到服務器數據過來。

防止這樣的永久阻塞的通常方法是給客戶的recvfrom調用設置一個超時，大概有這麼兩種方法：
1）使用信號SIGALRM爲recvfrom設置超時。首先咱們爲SIGALARM創建一個信號處理函數，並在每次調用前經過alarm設置一個5秒的超時。若是recvfrom被咱們的信號處理函數中斷了，那就超時重發信息；若正常讀到數據了，就關閉報警時鐘並繼續進行下去。

2）使用select爲recvfrom設置超時
設置select函數的第五個參數便可。

 

3. udp報文亂序問題
所謂亂序就是發送數據的順序和接收數據的順序不一致，例如發送數據的順序爲A、B、C，可是接收到的數據順序卻爲：A、C、B。產生這個問題的緣由在於，每一個數據報走的路由並不同，有的路由順暢，有的卻擁塞，這致使每一個數據報到達目的地的順序就不同了。UDP協議並不保證數據報的按序接收。

解決這個問題的方法就是發送端在發送數據時加入數據報序號，這樣接收端接收到報文後能夠先檢查數據報的序號，並將它們按序排隊，造成有序的數據報。

 

4. udp流量控制問題
總所周知，TCP有滑動窗口進行流量控制和擁塞控制，反觀UDP由於其特色沒法作到。UDP接收數據時直接將數據放進緩衝區內，若是用戶沒有及時將緩衝區的內容複製出來放好的話，後面的到來的數據會接着往緩衝區放，當緩衝區滿時，後來的到的數據就會覆蓋先來的數據而形成數據丟失（由於內核使用的UDP緩衝區是環形緩衝區）。所以，一旦發送方在某個時間點爆發性發送消息，接收方將由於來不及接收而發生信息丟失。

解決方法通常採用增大UDP緩衝區，使得接收方的接收能力大於發送方的發送能力。

int n = 220 * 1024; //220kB
setsocketopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n)); 這樣咱們就把接收方的接收隊列擴大了，從而儘可能避免丟失數據的發生。
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