16-基于udp的客户端/服务端通信

1. 使用udp协议通信

在此之前，我们实现的程序是基于TCP协议有连接方式的，客户端会先调用connect发起连接，然后服务端调用accept接受客户端的连接，通过套接字开始通信。

UDP协议是无连接不可靠的，没有被动套接字和主动套接字之分，客户端和服务端之间通信不需要提前建立好连接，而是直接调用sendto或recvfrom函数收发数据，如下图所示：

关于udp协议以及udp数据报格式请参考：41-udp协议

2. recvfrom和sendto函数

#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

这两个函数的前三个参数相当于read和write的三个参数：文件描述符，读缓冲区或写缓冲区，读或写的字节数。关于参数flags一般设置为0即可，我们将在后面详细讨论flags参数的用法。

recvfrom函数的参数src_addr用于指向数据报发送者的套接字地址，参数addrlen则是用于指定套接字地址大小。sendto函数的参数dest_addr用于指向数据报接收者的套接字地址，参数addrlen指定套接字地址大小。

返回值说明：sendto函数调用成功返回实际写入的字节数，recvfrom函数调用成功返回实际读取的字节数，如果两个函数出错则返回-1。

需要注意的是，recvfrom函数会一直阻塞，直到有数据到来（即直到接收缓冲区有数据），sendto函数也一样，如果缓冲区满了（这里说的是发送缓冲区），同样也会阻塞，直到缓冲区的数据被读走。

另外，sendto函数可以发送长度为0的数据报，即一个只包含IP首部（对于IPv4来说通常是20字节）和一个8字节的UDP首部的数据报。同理，recvfrom也可以返回0，这并不意味着像tcp一样表示对端已关闭，因为对于UDP来说没有所谓的关闭连接之类的事情。

3. 服务端程序

#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

#define MAXLINE 1024
#define SERV_PORT 10001

int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int sockfd;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	int i, n;

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
	printf("Accepting connections ...\n");

	while (1) {
		cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
		n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE,0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
		if (n == -1)
			perror("recvfrom error");
		printf("received from %s PORT %d\n", 
				inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
				ntohs(cliaddr.sin_port));
		for (i = 0; i < n; i++)
			buf[i] = toupper(buf[i]);

		n = sendto(sockfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
		if (n == -1)
			perror("sendto error");
	}
	close(sockfd);
	return 0;
}

4. 客户端程序

为了防止在一台机器上启动多个客户端导致出错，客户端不需要调用bind函数显式绑定ip地址和端口，因为客户端在第一次调用sendto函数时，系统会选择当前可用的ip地址和一个随机的端口号绑定到套接字。

对于客户端程序来说，如果并不关心数据报发送者的协议地址，可以将recvfrom函数的src_addr和addrlen参数设置为NULL，这样做会带来一个风险就是任何进程都可以向该客户端发送数据报，并且这些数据报会被客户端接收作为服务端的应答。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <ctype.h>

#define MAXLINE 1024
#define SERV_PORT 10001

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	int sockfd, n;
	char buf[MAXLINE];

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
		n = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
		if (n == -1)
			perror("sendto error");
		n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, NULL, 0);
		if (n == -1)
			perror("recvfrom error");
		write(STDOUT_FILENO, buf, n);
	}
	close(sockfd);
	return 0;
}

先启动server，然后再启动client，程序执行结果如下：

tcpdump抓取lo本地网卡的数据包：

从上图我们可以看到使用udp协议通信时无需建立连接和关闭连接，udp数据报的格式相比tcp协议来说更简单一些。