Linux下TCP/IP编程--UDP实战

本文参考《嵌入式Linux编程与实践教程》一书，以及http://www.cnblogs.com/skyfsm/p/6287787.html
给出一个简单的UDP模型代码并分析UDP一些高级特性，特此感谢。

本人已经发表了Linux下TCP实战的代码，如有参考请点击：TCP实战。

一、概念

UDP是一个简单的传输层协议，是一种非连接的、不可靠的数据报文协议，和TCP有较大区别。虽然UDP有很多不足，但还是有很多网络程序使用它，比如DNS（域名解析服务）、NFS（网络文件系统）、SNMP等。

UDP客户端和服务器端不建立连接，而是直接使用sento发送数据，使用recvfrom阻塞等待接收数据。

这里写图片描述
基于UDP服务器程序设计步骤如下：

函数socket创建一个Socket。
函数bind绑定IP地址，端口等信息到Socket上。
函数recvfrom循环接收数据。
关闭网络连接。

基于UDP客户端程序设计步骤如下：

函数socket创建一个Socket。
函数bind绑定IP地址，端口等信息到Socket上。
设置要连接服务器IP地址、端口等信息。
函数sendto发送数据。
关闭网络连接。

二、程序设计实例

基于UDP服务器程序设计，服务器负责接收数据：

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

#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
    char buf[BUFF_LEN];  //接收缓冲区，1024字节
    socklen_t len;
    int count;
    struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于记录发送方的地址信息
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        len = sizeof(clent_addr);
        count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞
        if(count == -1)
        {
            printf("recieve data fail!\n");
            return;
        }
        printf("client:%s\n",buf);  //打印client发过来的信息
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回复client
        printf("server:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针

    }
}


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

int main(int argc, char* argv[])
{
    int server_fd, ret;
    struct sockaddr_in ser_addr; 
    //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
    if(server_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    /*
    作为服务器，你要绑定【bind】到本地的IP地址上进行监听【listen】，但是你的机器上可能有多块网卡，
    也就有多个IP地址，这时候你要选择绑定在哪个IP上面，如果指定为INADDR_ANY，那么系统将绑定默认的网卡【即IP地址】
    */
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号，需要网络序转换

    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);   //处理接收到的数据

    close(server_fd);
    return 0;
}

基于UDP客户端程序设计client.c,客户端负责发送数据：

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


#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "127.0.0.1"


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);  //打印自己发送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收来自server的信息
        printf("server:%s\n",buf);
        sleep(1);  //一秒发送一次消息
    }
}

/*
    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;
    //作为客户端，要指定远端服务器的(ip, port)
    ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//仅仅连接服务器IP
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意网络序转换
    udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

    close(client_fd);

    return 0;
}

参考文章开头给出的链接：
UDP高级特性：

1.UDP套接字

UDP套接字有以下区分：
1）未连接的UDP套接字
2）已连接的UDP套接字

对于未连接的套接字，也就是我们常用的的UDP套接字，我们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在调用sendto/recvfrom时确定的；

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在一个未连接的UDP套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行以下六个步骤：
1）连接套接字
2）输出第一个数据报
3）断开套接字连接
4）连接套接字
5）输出第二个数据报
6）断开套接字连接

对于已连接的UDP套接字，必须先经过connect来向目标服务器进行指定，然后调用read/write进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在connect时确定的，也就是说，一旦conenct成功，我们就只能对该主机进行收发信息了。

已连接的UDP套接字给两个数据报调用write函数内核将执行以下三个步骤：
1）连接套接字
2）输出第一个数据报
3）输出第二个数据报

由此可以知道，当应用进程知道给同一个目的地址的端口号发送多个数据报时，显示套接字效率更高。

2.udp报文丢失问题

因为UDP自身的特点，决定了UDP会相对于TCP存在一些难以解决的问题。第一个就是UDP报文缺失问题。
在UDP服务器客户端的例子中，如果客户端发送的数据丢失，服务器会一直等待，直到客户端的合法数据过来。如果服务器的响应在中间被路由丢弃，则客户端会一直阻塞，直到服务器数据过来。

防止这样的永久阻塞的一般方法是给客户的recvfrom调用设置一个超时，大概有这么两种方法：
1）使用信号SIGALRM为recvfrom设置超时。首先我们为SIGALARM建立一个信号处理函数，并在每次调用前通过alarm设置一个5秒的超时。如果recvfrom被我们的信号处理函数中断了，那就超时重发信息；若正常读到数据了，就关闭报警时钟并继续进行下去。

2）使用select为recvfrom设置超时
设置select函数的第五个参数即可。

3. udp报文乱序问题

所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为A、B、C，但是接收到的数据顺序却为：A、C、B。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。UDP协议并不保证数据报的按序接收。

解决这个问题的方法就是发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。

4. udp流量控制问题

总所周知，TCP有滑动窗口进行流量控制和拥塞控制，反观UDP因为其特点无法做到。UDP接收数据时直接将数据放进缓冲区内，如果用户没有及时将缓冲区的内容复制出来放好的话，后面的到来的数据会接着往缓冲区放，当缓冲区满时，后来的到的数据就会覆盖先来的数据而造成数据丢失（因为内核使用的UDP缓冲区是环形缓冲区）。因此，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将因为来不及接收而发生信息丢失。

解决方法一般采用增大UDP缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。

int n = 220 * 1024; //220kB
setsocketopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));

这样我们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽量避免丢失数据的发生。