Unix/Linux编程：UDP也可以是“已连接”？

从一个例子开始

我们先从一个客户端例子开始，在这个例子中，客户端在 UDP 套接字上调用 connect 函数，之后将标准输入的字符串发送到服务器端，并从服务器端接收处理后的报文。当然，和服务器端发送和接收报文是通过调用函数 sendto 和 recvfrom 来完成的。

#include "lib/common.h"
# define    MAXLINE     4096
 
int main(int argc, char **argv) {
    
    
    if (argc != 2) {
    
    
        error(1, 0, "usage: udpclient1 <IPaddress>");
    }
 
    // 创建了一个 UDP 套接字；
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
    // 创建了一个 IPv4 地址，绑定到指定端口和 IP；
    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);
 
    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
 
    // 调用 connect 将 UDP 套接字和 IPv4 地址进行了“绑定”，这里 connect 函数的名称有点让人误解，其实可能更好的选择是叫做 setpeername；
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
    
    
        error(1, errno, "connect failed");
    }
 
    struct sockaddr *reply_addr;
    reply_addr = malloc(server_len);
 
    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    socklen_t len;
    int n;
 
   // 读取标准输入字符串后，调用 sendto 发送给对端；之后调用 recvfrom 等待对端的响应，并把对端响应信息打印到标准输出。
    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
    
    
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
    
    
            send_line[i - 1] = 0;
        }
 
        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
        if (rt < 0) {
    
    
            error(1, errno, "sendto failed");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);
        
        len = 0;
        recv_line[0] = 0;
        n = recvfrom(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0, reply_addr, &len);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recvfrom failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }
 
    exit(0);
}

在没有开启服务端的情况下，我们运行一下这个程序：

$ ./udpconnectclient 127.0.0.1
g1
now sending g1
send bytes: 2
recvfrom failed: Connection refused (111)

疑惑：不是说好 UDP 是“无连接”的协议吗？不是说好 UDP 客户端只会阻塞在 recvfrom 这样的调用上吗？怎么这里冒出一个“Connection refused”的错误呢？

UDP connect 的作用

从上面的例子中可以发现，我们可以对UDP套接字调用connect函数，但是和TCP connect调用引起TCP三次握手，建立TCP有效连接不同，UDP connect函数的调用，并不会引起和服务端的网络交互，也就是说，并不会触发"握手"报文发送和应答。

那么对UDP套接字进行connect操作到底有什么意义呢？

• 其实上面的例子已经给了答案，这主要是为了让应用程序能够接收“异步错误”的信息。
• 如果我们不调用connect操作客户端程序，在服务端不开启的情况下，客户端程序是不会报错的，程序只会阻塞在recvfrom上，等待返回（或者超时）。
• 在这里，我们通过对UDP套接字进行connect操作，将UDP套接字建立了“上下文”，该套接字和服务端的地址和端口产生了联系，正是因为这种绑定关系给了操作系统内核必要的信息，能够将操作系统内核收到的信息和对应的套接字进行关联。

我们可以展开讨论一下：

• 事实上，当我们调用sendto或者send操作函数时，应用程序报文未被发送，我们的应用程序返回，操作系统内核接管了该报文，之后操作系统开始尝试往对应的地址和端口发送，因为对应的地址和端口不可达，一个ICMP报文会返回给操作系统内核，该ICMP报文含有目的地址和端口等信息
• 如果我们不进行connect操作，建立（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之间的映射关系，操作系统内核就没法把ICMP不可达的信息和UDP套接字进行关联，也就没有办法将ICMP信号通知给应用程序
• 如果我们进行了 connect 操作，帮助操作系统内核从容建立了（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之间的映射关系，当收到一个 ICMP 不可达报文时，操作系统内核可以从映射表中找出是哪个 UDP 套接字拥有该目的地址和端口，别忘了套接字在操作系统内部是全局唯一的，当我们在该套接字上再次调用 recvfrom 或 recv 方法时，就可以收到操作系统内核返回的”Connection Refused“的信息。

收发函数

在对 UDP 进行 connect 之后，关于收发函数的使用，很多书籍是这样推荐的：

• 使用 send 或 write 函数来发送，如果使用 sendto 需要把相关的 to 地址信息置零；
• 使用 recv 或 read 函数来接收，如果使用 recvfrom 需要把对应的 from 地址信息置零。
  其实不同的 UNIX 实现对此表现出来的行为不尽相同。

在我的 Linux 4.4.0 环境中，使用 sendto 和 recvfrom，系统会自动忽略 to 和 from 信息。在我的 macOS 10.13 中，确实需要遵守这样的规定，使用 sendto 或 recvfrom 会得到一些奇怪的结果，切回 send 和 recv 后正常。

考虑到兼容性，我们也推荐这些常规做法。所以在接下来的程序中，会使用这样的做法来实现。

服务器端 connect 的例子

一般来说，服务器端不会主动发起 connect 操作，因为一旦如此，服务器端就只能响应一个客户端了。不过，有时候也不排除这样的情形，一旦一个客户端和服务器端发送 UDP 报文之后，该服务器端就要服务于这个唯一的客户端。

一个类似的服务器端程序如下：

#include "lib/common.h"
 
static int count;
 
static void recvfrom_int(int signo) {
    
    
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}
 
int main(int argc, char **argv) {
    
    
// 创建 UDP 套接字；
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 
    // 绑定 UDP 套接字和 IPv4 地址；
    bind(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
 
    socklen_t client_len;
    char message[MAXLINE];
    message[0] = 0;
    count = 0;
 
 	// 为该程序注册一个信号处理函数，以响应 Ctrl+C 信号量操作；
    signal(SIGINT, recvfrom_int);
 
    struct sockaddr_in client_addr;
    client_len = sizeof(client_addr);
 
 	// 调用 recvfrom 等待客户端报文到达，并将客户端信息保持到 client_addr 中；
    int n = recvfrom(socket_fd, message, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
    if (n < 0) {
    
    
        error(1, errno, "recvfrom failed");
    }
    message[n] = 0;
    printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
 
 	// 调用 connect 操作，将 UDP 套接字和客户端 client_addr 进行绑定；
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &client_addr, client_len)) {
    
    
        error(1, errno, "connect failed");
    }
 
  // 对接收的信息进行重新处理，加上”Hi“前缀后发送给客户端，并持续不断地从客户端接收报文，该过程一直持续，直到客户端发送”goodbye“报文为止。
    while (strncmp(message, "goodbye", 7) != 0) {
    
    
        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", message);
 
        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
    
    
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);
 
        size_t rc = recv(socket_fd, message, MAXLINE, 0);
        if (rc < 0) {
    
    
            error(1, errno, "recv failed");
        }
        
        count++;
    }
 
    exit(0);
}

接下来我们实现一个 connect 的客户端程序：

#include "lib/common.h"
# define    MAXLINE     4096
 
int main(int argc, char **argv) {
    
    
    if (argc != 2) {
    
    
        error(1, 0, "usage: udpclient3 <IPaddress>");
    }
 
    // 创建了一个 UDP 套接字；
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
 	// 创建了一个 IPv4 地址，绑定到指定端口和 IP；
    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);
 
    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
 		
 	// 调用 connect 将 UDP 套接字和 IPv4 地址进行了“绑定”；
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
    
    
        error(1, errno, "connect failed");
    }
 
    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    int n;
 		// 读取标准输入字符串后，调用 send 发送给对端；之后调用 recv 等待对端的响应，并把对端响应信息打印到标准输出。
    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
    
    
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
    
    
            send_line[i - 1] = 0;
        }
 
        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
    
    
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);
 
        recv_line[0] = 0;
        n = recv(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recv failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }
 
    exit(0);
}

接下来，我们先启动服务器端程序，然后依次开启两个客户端，分别是客户端 1、客户端 2，并且让客户端 1 先发送 UDP 报文。

服务器端：

$ ./udpconnectserver
received 2 bytes: g1
send bytes: 6

客户端 1：

 ./udpconnectclient2 127.0.0.1
g1
now sending g1
send bytes: 2
Hi, g1

客户端 2：

./udpconnectclient2 127.0.0.1
g2
now sending g2
send bytes: 2
recv failed: Connection refused (111)

我们看到，客户端 1 先发送报文，服务端随之通过 connect 和客户端 1 进行了“绑定”，这样，客户端 2 从操作系统内核得到了 ICMP 的错误，该错误在 recv 函数中返回，显示了“Connection refused”的错误信息。

性能考虑

一般来说，客户端通过connect绑定服务端的地址和端口，对UDP而言，可以有一定程度的性能提升

这是为什么呢？

因为如果不使用 connect 方式，每次发送报文都会需要这样的过程：

连接套接字→发送报文→断开套接字→连接套接字→发送报文→断开套接字 →………

而如果使用 connect 方式，就会变成下面这样：

连接套接字→发送报文→发送报文→……→最后断开套接字

我们知道，连接套接字是需要一定开销的，比如需要查找路由表信息。所以，UDP客户端程序通过connect可以获得一定的性能提升

总结

之所以对UDP使用connect，绑定本地地址和端口，是为了让我们的程序可以快速的获取异步错误1信息的通知，同时也可以获得一定性能上的提升。