【套接字编程】UDP协议

前言：

传输层协议场景：通信中客户端与服务端进行交互
客户端：主动发起请求的一端
服务端：被动接受请求的一端
传输层协议的分类与选择
tcp协议/udp协议

两种协议的区别（面试常考）

tcp协议（传输控制协议）
特点：面向连接，可靠传输，面向字节流
常用于对安全可靠性要求高于对性能要求的程序。例如:文件传输
udp协议（用户数据报协议）
特点：无连接，不可靠，面向数据报
常用于对实时性要求高于安全性要求的程序，例如：视屏
TCP 和 UDP 对比：
可靠传输 vs 不可靠传输
有连接 vs 无连接
字节流 vs 数据报

由于tcp协议与udp协议，他们都要使用使用到套接字编程，所以我们先来认识一下socke套接字

socket编程接口

socket 常见API（参数多，较为复杂）

创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain：地址域，通信地址
type：套接字类型（面向字节流tcp：SOCK_STREAM 面向数据报udp：SOCK_DGRAM）
protocol:传输层所使用的协议---默认为0
IPPROTO_TCP/IPROTO_UDP
返回值：文件描述符--套接字操作句柄

绑定端口号（绑定地址信息） (TCP/UDP, 服务器)      
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *address,
         socklen_t address_len);
sockfd:创建套接字所返回的描述符
address：地址结构
// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
         socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
         socklen_t addrlen);

sockaddr结构
socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、IPv6,以及后面要讲的UNIX Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式不同
在这里插入图片描述
IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址.
IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
socket API可以都用struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好
处是程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为
参数;
常用sockaddr_in

虽然socket api的接口是sockaddr, 但是我们真正在基于IPv4编程时, 使用的数据结构是sockaddr_in; 这个结构里主要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP地址.
in_addr结构
在这里插入图片描述
这个东西不用记，会用就行
数据发送和接收函数
发送：

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  sockfd:套接字描述符
  data：要发送的数据
  len:要发送的数据长度
  flag:选项参数 0-默认阻塞发送，MSG_DONTWAIT-非阻塞
  dest_addr：sockaddr_in  描述对端地址信息
  addrlen:对端地址信息结构长度
  返回值:>0--实际发送的数据长度
        -1--错误

接收：

 ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  sockfd:套接字描述符
  buf:从socket接收缓冲区中取出数据放到buf中
  data：要接收的数据
  len:要接收的数据长度
  flag:选项参数 0-默认阻塞发送，MSG_DONTWAIT-非阻塞
  src_addr：sockaddr_in  描述源地址信息
  *addrlen:源地址信息结构长度
  返回值:>0--实际接收的数据长度
        -1--错误

关闭套接字：

int close(int fd);
fd:文件描述符

Socket通信流程
1命名socket
SOCK_STREAM 式本地套接字的通信双方均需要具有本地地址，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr_un 类型的变量。
2 绑定
OCK_STREAM 式本地套接字的通信双方均需要具有本地地址，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr_un 类型的变量，将相应字段赋值，再将其绑定在创建的服务器套接字上，绑定要使用 bind 系统调用。
3 监听
服务器端套接字创建完毕并赋予本地地址值（名称，本例中为Server Socket）后，需要进行监听，等待客户端连接并处理请求，监听使用 listen 系统调用，接受客户端连接使用accept系统调用。
4 连接服务器
客户端套接字创建完毕并赋予本地地址值后，需要连接到服务器端进行通信，让服务器端为其提供处理服务。对于SOCK_STREAM类型的流式套接字，需要客户端与服务器之间进行连接方可使用。
5 相互发送接收数据
无论客户端还是服务器，都要和对方进行数据上的交互，这种交互也正是我们进程通信的主题。一个进程扮演客户端的角色，另外一个进程扮演服务器的角色，两个进程之间相互发送接收数据，这就是基于本地套接字的进程通信。发送和接收数据要使用 write 和 read 系统调用。
6 断开连接
交互完成后，需要将连接断开以节省资源，使用close系统调用。

udp网络编程

在TCP/IP对网络的划分下传输层试很重要的一层，通过阅读《图解TCP/IP》对传输层的TCP/UDP进行总结。
UDP
1、UDP的特点
UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发出来的数据在收到的那一刻，立即按照原来发送到网络上的一种机制。（UDP无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为；传输丢包UDP不负责重发；包到达顺序乱掉时没有纠正的功能）

2、UDP应用场景
1、包总量较少的通信（DNS、SNMP等）
2、视频、音频等多媒体通信（即时通信）
3、限定于LAN等特定网络中的应用通信
4、广播通信（广播、多播）

3、UDP首部的格式
除去数据的部分正是UDP的首部。UDP首部由源端口号，目标端口号，包长和校验和组成。
在这里插入图片描述
1、源端口号（Source Port）
表示发送端端口号，字段长16位。该字段是可选项，有时可能不会设置源端口号。没有源端口号的时候该字段的值设置为0.可用于不需要返回的通信中。
2、目标端口号（Destination Port）
表示接收端端口，字段长度16位。
3、包长度（Length）
该字段保存了UDP首部的长度之和。单位为字节(8位字节）。
4、校验和（Checksum）
校验和是为了提供可靠的UDP首部和数据而设计。在计算校验和时，附加在UDP伪首部与UDP数据报之前。通过在最后一位增加一个“0”将全长增加16倍。此时将UDP首部的校验和字段设置为“0”.然后以16比特为单位进行1的补码和，并将所得到的1的补码和写入校验和字段。
在这里插入图片描述
UDP实现流程：
客户端
1.创建套接字
2.为套接字绑定地址信息
3.发送数据请求
4.服务端处理后，响应请求
5.关闭套接字
服务端：
1.创建套接字
2.为套接字绑定地址信息
3.接收数据请求
4.处理后，发送数据
5.关闭套接字

流程如下图：
在这里插入图片描述
TCP网络编程

fighting QAQ

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