UDP协议及通信编程

1 概述

Internet 的传输层有两个主要协议，一个是TCP，一个是UDP：
TCP协议：传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）；
UDP协议：用户数据包协议（UDP，User Datagram Protocol）。
两者的主要区别：

1. 连接：TCP面向连接，即必须首先建立与对方的连接，才可以收发数据；而UDP无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包。
2. 可靠性：TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议；而UDP提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适合于一次传输少量数据，UDP传输的可靠性由应用层负责。UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合对可靠性要求不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程序，如DNS、TFTP、SNMP等。
3. 数据格式：TCP传输的是数据流，没有包的概念，而UDP是报文格式，即一个一个包的形式。

2 UDP编程简介

2.1 编程接口

UDP编程有很多方法和接口，这里仅介绍Windows下的编程，其他系统类似。
Windows API 提供了SOCKET编程函数库，可用于进行UDP编程实现。

2.2 UDP编程类型

做过TCP编程的应该都知道，TCP编程要分为两类：服务器和客户端。
服务器和客户端是一种针对一个通信事务来说的双方角色的定义，开好端口等待其他程序来连接（listen）的那一方就是服务器；而主动去连接（connect）一个特定IP和端口的那一方就是客户端。一个程序到底是服务器，还是客户端，或者即是服务器，又是客户端，需要根据自己程序的功能要求来确定。
同样，UDP编程也分为服务器和客户端两类，也是这个规则：开好监听端口等待其他程序往此端口发送数据的那一方就是服务器，而主动往一个特定IP和端口发送数据的那一方就是客户端。

2.3 UDP程序流程

一般来说，一个UDP程序流程如下：

2.3.1 UDP服务器程序流程

1. 创建通信套接字SOCKET：使用函数socket()；
2. 设定监听端口及IP：使用函数bind()；
3. 接收客户端数据：使用函数recvfrom()；
4. 向客户端发送数据：使用函数sendto()；
5. 通信结束后，关闭套接字：使用函数closesocket()；

2.3.2 UDP客户端程序流程

1. 创建通信套接字SOCKET：使用函数socket()；
2. 向服务器发送数据：使用函数sendto()；
3. 接收服务器数据：使用函数recvfrom()；
4. 通信结束后，关闭套接字：使用函数closesocket()；

3 UDP编程实例及注意事项

举例：两个计算机进行UDP通信，服务器一方IP为192.168.1.100，UDP监听端口为2000，客户端一方IP为192.168.1.200。

3.1 服务器程序

1) 创建通信套接字SOCKET

SOCKET m_sockUdpRecv;
int m_nError;
if(m_sockUdpRecv==INVALID_SOCKET)
{
    
    
	m_sockUdpRecv = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (m_sockUdpRecv == INVALID_SOCKET)
	{
    
    
		m_nError = WSAGetLastError();
		return -1;
	}
}

socket函数的第二个参数为SOCK_DGRAM，表示要创建一个UDP通信的套接字。

2) 设定监听端口及IP

SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_port = htons(2000); //UDP监听端口为2000
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);	//INADDR_ANY表示允许任何IP进入
//如果希望仅允许特定IP进入，如192.168.1.200，那么需要修改为：
//addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(inet_ntoa(“192.168.1.200”));
int retVal = bind((SOCKET)m_sockUdpRecv, (const sockaddr*)(LPSOCKADDR)&addrSrv,
	(int)sizeof(SOCKADDR_IN));
if(retVal == SOCKET_ERROR)
{
    
    
	m_nError = WSAGetLastError();
	closesocket(m_sockUdpRecv);
	m_sockUdpRecv=INVALID_SOCKET;
	return -1;
}

这样服务器端程序就在端口2000开了个UDP监听，用来客户端向这个端口发送数据。

3) 接收客户端数据

char pBuf[1024];	//接收缓冲区
int nLen=1024;	//希望接收的最大数据长度
struct sockaddr_in m_addrUdpFrom;	//用来接收对方信息
int addrlen = sizeof( struct sockaddr_in);
CString sREmoteInfo;
int ret;
ret = recvfrom(m_sockUdpRecv,(char*)pBuf,nLen,0,
	(struct sockaddr*)&m_addrUdpFrom,&addrlen);
if(ret>=0)
{
    
    
	//此时sRemoteInfo中记录了客户端的IP及使用端口，我们可以如下所示来查看
	sRemoteInfo.Format("%s:%d",
		inet_ntoa(m_addrUdpFrom.sin_addr),ntohs(m_addrUdpFrom.sin_port));
}

这里要注意，通常情况下，recvfrom函数是阻塞的，即除非接收到了客户端发来的数据，或者出现网络错误，否则程序会永远卡在recvfrom这一句。
如果不想recvfrom阻塞，一种办法是设置接收超时，即：在调用recvfrom前，执行下列语句

struct timeval tv_out;
tv_out.tv_sec = 1;//设置recvfrom超时时间为1秒
tv_out.tv_usec = 0;
setsockopt(m_sockUdpRecv,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,(const char*)&tv_out, sizeof(tv_out));

这样，recvfrom在设定的超时时间内如果没有等到数据到来或者网络错误，函数也会执行结束，并返回一个网络错误。
以上使用的setsockopt函数是一个用来设置通信选项和参数的函数，比如我们要接收的数据比较多，可能超出UDP缺省缓冲区大小，此时，我们就可以在recvfrom前用这个函数设置一下接收缓冲区大小

int nSendBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(m_sockUdpRecv,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,(const char*)&nSendBuf,sizeof(int));

要注意的是：UDP通信的包字节数最大为64K。除去各种头信息，最大可用数据大概为65507（感兴趣的自行搜索相关文章）。

4) 向客户端发送数据

如果程序需要向客户端发送数据，那么我们刚才已经通过recvfrom获得了对方的IP以及端口（记录在m_addrUdpFrom中），我们可以直接向这个IP和端口回送数据，即直接使用m_addrUdpFrom参数调用sendto，这里我们记为发送模式一。
另外一点是：发送用的SOCKET可以用上面那个m_sockUdpRecv，也可以socket()创建一个来使用，如下面的m_sockUdpSend，很简单，这里不再给出创建socket的代码。

char* pData;	//要发送的数据
int nLen=123;	//要发送的数据长度
int addrlen = sizeof( struct sockaddr_in);
int ret = sendto(m_sockUdpSend, (char*)pData, nLen, 0, (struct sockaddr*)&m_addrUdpFrom, addrlen);

如果客户端不希望服务器向它的数据来源端口发送，而是向另一个指定的端口（例如3000）回送数据，我们记为发送模式二，这样：

SOCKADDR_IN addrTo;
addrTo.sin_family = AF_INET;
addrTo.sin_port = htons(3000);
addrTo.sin_addr.s_addr = inet_addr( inet_ntoa(m_addrUdpFrom.sin_addr) );
int addrlen = sizeof( struct sockaddr_in);
int ret = sendto(m_sockUdpSend, (char*)pData, nLen, 0, (struct sockaddr*)&addrTo, addrlen);

同样，如果发送的数据量比较大，可以提前设置一下发送缓冲区大小：

int nSendBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(m_sockUdpSend,SOL_SOCKET,SO_SNDBUF,(const char*)&nSendBuf,sizeof(int));

5) 通信结束后，关闭套接字

所有通信结束后，要关闭套接字，释放资源

if(m_sockUdpRecv!=INVALID_SOCKET)
	closesocket(m_sockUdpRecv);
if(m_sockUdpSend!=INVALID_SOCKET)
	closesocket(m_sockUdpSend);

3.2 客户端程序

1) 创建通信套接字SOCKET

与上文相同，这里不再论述。

2) 向服务器发送数据

客户端要向服务器发送数据时，必须预先知道服务器的IP，以及服务器的UDP监听端口，比如我们这个例子的192.168.1.100:2000：

SOCKADDR_IN addrTo;
addrTo.sin_family = AF_INET;
addrTo.sin_port = htons(2000);	//服务器UDP监听端口
addrTo.sin_addr.s_addr = inet_addr( inet_ntoa("192.168.1.100") );	//服务器IP
int addrlen = sizeof( struct sockaddr_in);
int ret = sendto(m_sockUdpSend, (char*)pData, nLen, 0, (struct sockaddr*)&addrTo, addrlen);

3) 接收服务器数据

前文所述服务器发送数据时，我们记了两个模式，对应这两种模式的客户接收端程序如下：
模式一，服务器直接向客户端的发送端口回送，则客户端的接收程序为：

char pBuf[1024];	//接收缓冲区
int nLen=1024;	//希望接收的最大数据长度
struct sockaddr_in m_addrUdpFrom;	//用来接收对方信息
int addrlen = sizeof( struct sockaddr_in);
CString sREmoteInfo;
int ret;
ret = recvfrom(m_sockUdpSend,(char*)pBuf,nLen,0,
	(struct sockaddr*)&m_addrUdpFrom,&addrlen);
if(ret>=0)
{
    
    
	//此时sRemoteInfo中记录了服务器端回送的IP及端口，我们可以如下所示来查看
	sRemoteInfo.Format("%s:%d",
		inet_ntoa(m_addrUdpFrom.sin_addr),ntohs(m_addrUdpFrom.sin_port));
}

模式二，服务器向客户端的特定端口发送数据，那么这种模式，我们的客户端就是服务器了，采用以上的服务器开启UDP监听端口等待接收发来数据的模式即可。
与上文相同，这里不再论述。

4) 通信结束后，关闭套接字

与上文相同，这里不再论述。

4 UDP通信的应用层可靠性措施讨论

如前所述，UDP属于非连接的不可靠的数据传输，UDP传输的可靠性由应用层负责，也就是说，发送端只负责发送数据，而不管接收端能不能收到，这样就需要我们自己在应用程序中来保证这种可靠性。
一般来说，如果偶尔发出一个不大的包，UDP的接收发送还是相对可靠的，比如聊天程序，用UDP就非常适合。UDP传输的不可靠性多数发生在需要连续发送接收多个包的情况下，比如，我们现在有一个1M字节的数据（如果我来定，1M字节我不会采用UDP来发送，我会选TCP，但是有时候用户可能提出必须UDP）要发送给对方，按照以上所述，一个UDP包最大只能发送60多K，也就是这1M字节数据，最少也要分成大约18个包来发，如果每次UDP发送数据为1K的话，那么就需要分成更多包，比如1024个包来发送。
按照个人经验，应用程序要保证UDP的数据传输可靠，要注意以下几点：

1. 发送端如果有连续多个UDP包发送时，中间要加延时，否则对方很可能会丢包，比如我一般在多个连续的UDP的发送中间加入Sleep(2)，这个延时就是给对方一个接收到包后的处理时间，至于这个延时多少合适，还是需要自己来摸索；
2. 接收端在接收到一个包后，要尽快处理，或尽快交给其他线程来处理，如果接收包后处理的耗时过多，会导致后续来的UDP包来不及接收，就会丢包。

当然，为了传输可靠，有个很明显的方法，就是采用一问一答模式，即发送过去后，对方在一定时间内回复一个是否接收成功的包，成功了再发下一个包，不成功重发，但是，不建议这样，因为这样就失去了UDP协议传输效率高这个特点了，不如就直接采用TCP来传输就可以了，可靠，同时效率一定比这种一问一答式UDP要高的多。所以，到底采用“可靠的TCP”还是采用“不可靠的UDP+程序保证可靠性”，完全看用户要求或者你的程序设计思想。