Linux网络编程（四）——UDP通信

目录

0x01 UDP协议

一、UDP通信简介以及接口

二、UDP的接口

三、UDP收发例程

0x02 广播

一、设置广播数据函数接口

二、广播代码实现

0x03 组播（多播）

一、组播地址

二、设置组播函数接口

三、代码实现

---

0x01 UDP协议

一、UDP通信简介以及接口

UDP是一个面向无连接的，不可靠的服务，功能即为在IP的数据报服务之上增加了最基本的服务：复用和分用以及差错检测。

• UDP通信不需要建立连接，因此不需要进行connect()操作。

• UDP通信过程中，每次都需要指定数据接收端的IP和端口。

• UDP不对收到的数据进行排序，在UDP报文的首部中并没有关于数据顺序的信息。

• UDP对接收到的数据报不回复确认信息，发送端不知道数据是否被正确接收，也不会重发数据。

• 如果发生了数据丢失，不存在丢一半的情况，如果丢当前这个数据报就全部丢失了。

• UDP没有拥塞控制，应用层能够更好的控制要发送的数据和发送时间，网络中的拥塞控制也不会影响主机的发送速率，能容忍一些数据的丢失，但是不能允许有较大的时延。

二、UDP的接口

#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);
    - 参数：
        - sockfd : 通信的fd
        - buf : 要发送的数据
        - len : 发送数据的长度
        - flags : 0
        - dest_addr : 通信的另外一端的地址信息
        - addrlen : 地址的内存大小
    - 返回：
        -n :发送字节的数量 
        -0 ：失败
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
    - 参数：
        - sockfd : 通信的fd
        - buf : 接收数据的数组
        - len : 数组的大小
        - flags : 0
        - src_addr : 用来保存另外一端的地址信息，不需要可以指定为NULL
        - addrlen : 地址的内存大小
    - 返回：
        - n：成功返回字节个数
        - 0：失败

三、UDP收发例程

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    // 服务器的地址信息
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &saddr.sin_addr.s_addr);

    int num = 0;
    // 3.通信
    while(1) {

        // 发送数据
        char sendBuf[128];
        sprintf(sendBuf, "hello , i am client %d \n", num++);
        sendto(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

        // 接收数据
        int num = recvfrom(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf), 0, NULL, NULL);
        printf("server say : %s\n", sendBuf);

        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

  服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9999);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 2.绑定
    int ret = bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    // 3.通信
    while(1) {
        char recvbuf[128];
        char ipbuf[16];

        struct sockaddr_in cliaddr;
        int len = sizeof(cliaddr);

        // 接收数据
        int num = recvfrom(fd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

        printf("client IP : %s, Port : %d\n", 
            inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
            ntohs(cliaddr.sin_port));

        printf("client say : %s\n", recvbuf);

        // 发送数据
        sendto(fd, recvbuf, strlen(recvbuf) + 1, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));

    }

    close(fd);
    return 0;
}

0x02 广播

在局域网中可以使用单播的形式，即一对一通讯，也可以使用广播的形式，即向子网中多台计算机发送消息，并且子网中所有的计算机都可以接收到发送方发送的消息，每个广播消息都包含一个特殊的IP地址，这个IP中子网内主机标志部分的二进制全部为1（即主机IP为255）。

例如192.168.10.20，其中20为主机IP，其他的为网络IP。若主机IP为0，则代表这是个子网IP；若为255，则代表为广播IP。

• 只能在局域网中使用

• 客户端需要绑定服务器广播使用的端口，才可以接收到广播消息，也就是说客户端需要绑定IP为192.168.10.255，并且需要绑定与广播的服务器的端口。

一、设置广播数据函数接口

// 设置广播属性的函数
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);
    - sockfd : 文件描述符
    - level : SOL_SOCKET
    - optname : SO_BROADCAST
    - optval : int类型的值，为1表示允许广播
    - optlen : optval的大小	

二、广播代码实现

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    // 2.设置广播属性
    int op = 1;
    setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &op, sizeof(op));
    
    // 3.创建一个广播的地址
    struct sockaddr_in cliaddr;
    cliaddr.sin_family = AF_INET;
    cliaddr.sin_port = htons(9999);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.193.255", &cliaddr.sin_addr.s_addr);	//本机的广播地址使用命令ifconfig查看

    // 3.通信
    int num = 0;
    while(1) {
       
        char sendBuf[128];
        sprintf(sendBuf, "hello, client....%d\n", num++);
        // 发送数据
        sendto(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        printf("广播的数据：%s\n", sendBuf);
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    struct in_addr in;

    // 2.客户端绑定本地的IP和端口
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9999);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;		//绑定本机IP

    int ret = bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    // 3.通信
    while(1) {
        
        char buf[128];
        // 接收数据
        int num = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        printf("server say : %s\n", buf);

    }

    close(fd);
    return 0;
}

0x03 组播（多播）

单播地址标识单个 IP 接口，广播地址标识某个子网的所有 IP 接口，多播地址标识一组 IP 接口。单播和广播是寻址方案的两个极端（要么单个要么全部），多播则意在两者之间提供一种折中方案。多播数据报只应该由对它感兴趣的接口接收，也就是说由运行相应多播会话应用系统的主机上的接口接收。另外，广播一般局限于局域网内使用，而多播则既可以用于局域网，也可以跨广域网使用。

• 组播既可以用于局域网，也可以用于广域网。

• 客户端需要加入多播组，才能接收到多播的数据。

一、组播地址

IP多播通信必须依赖于IP多播地址，在IPv4中它的范围从224.0.0.0到239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址三类：

IP地址	说明
224.0.0.0~224.0.0.255	局部链接多播地址：是为路由协议和其它用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包
224.0.1.0~224.0.1.255	预留多播地址：公用组播地址，可用于Internet；使用前需要申请
224.0.2.0~238.255.255.255	预留多播地址：用户可用组播地址(临时组地址)，全网范围内有效
239.0.0.0~239.255.255.255	本地管理组播地址，可供组织内部使用，类似于私有 IP 地址，不能用于 Internet，可限制多播范围

二、设置组播函数接口

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval,socklen_t optlen);
    // 服务器设置多播的信息，外出接口
    - level : IPPROTO_IP
    - optname : IP_MULTICAST_IF
    - optval : struct in_addr
        typedef uint32_t in_addr_t;
        struct in_addr
        {
        in_addr_t s_addr;
        };

    // 客户端加入到多播组：
    - level : IPPROTO_IP
    - optname : IP_ADD_MEMBERSHIP
    - optval : struct ip_mreq	
        struct ip_mreq
        {
            /* IP multicast address of group.*/
            struct in_addr imr_multiaddr;  // 组播的IP地址
            /* Local IP address of interface.*/
            struct in_addr imr_interface;	// 本地的IP地址
        };

以上的参数设置主要参照于《UNIX网络编程》。

三、代码实现

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    // 2.设置多播的属性，设置外出接口
    struct in_addr imr_multiaddr;
    // 初始化多播地址
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &imr_multiaddr.s_addr);
    setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &imr_multiaddr, sizeof(imr_multiaddr));
    
    // 3.初始化客户端的地址信息,在多播中需要表明客户端的信息
    struct sockaddr_in cliaddr;
    cliaddr.sin_family = AF_INET;
    cliaddr.sin_port = htons(9999);
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &cliaddr.sin_addr.s_addr);

    // 3.通信
    int num = 0;
    while(1) {
       
        char sendBuf[128];
        sprintf(sendBuf, "hello, client....%d\n", num++);
        // 发送数据
        sendto(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        printf("组播的数据：%s\n", sendBuf);
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 1.创建一个通信的socket,使用UDP通信协议
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }   

    struct in_addr in;
    // 2.客户端绑定本地的IP和端口
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9999);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    int ret = bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    struct ip_mreq op;
    inet_pton(AF_INET, "239.0.0.10", &op.imr_multiaddr.s_addr);
    op.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;

    // 加入到多播组
    setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &op, sizeof(op));

    // 3.通信
    while(1) {
        
        char buf[128];
        // 接收数据
        int num = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        printf("server say : %s\n", buf);

    }

    close(fd);
    return 0;
}

需要注意的是，多播与广播只能UDP，对于TCP只能一对一。