コンピュータネットワーク | UDPに基づくC/Sモデルのコード実装

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コラム：「ネットワークプログラミング」

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UDPサーバー

トランスポート層で使用される主なプロトコル モデルは 2 つあり、1 つは TCP プロトコル、もう 1 つは UDP プロトコルです。TCP プロトコルはネットワーク通信において主要な役割を果たしており、ネットワーク通信の大部分はデータ送信を完了するために TCP プロトコルを使用します。しかし、UDP はネットワーク通信において不可欠な通信手段でもあります。
TCP と比較すると、UDP 通信の形式はテキスト メッセージの送信に似ています。データ送信前に接続を確立して維持する必要はありません。データを取得することに集中してください。3ウェイハンドシェイクの工程が省略され、通信速度が大幅に向上しますが、それに伴う通信の安定性や正確性は保証できません。したがって、UDP を「コネクションレスで信頼性の低いメッセージ配信」と呼びます。
では、よく知られている TCP と比較して、UDP の長所と短所は何でしょうか? 接続を作成する必要がないため、UDP のオーバーヘッドが小さく、データ転送速度が速く、リアルタイム性が優れています。主にビデオ会議や電話会議など、高いリアルタイム性が要求されるコミュニケーション場面で使用されます。しかし、信頼性の低いデータ送信も伴い、送信データの精度、送信シーケンス、フローを制御したり保証したりすることはできません。したがって、通常の状況では、データ送信には UDP プロトコルが使用されますが、データの正確性を保証するには、UDP の欠点を補う補助的な検証プロトコルをアプリケーション層に追加する必要があります。信頼性の高いデータ伝送を目的としています。
TCP と同様に、UDP でもバッファがいっぱいになった後にデータを受信するとパケット損失が発生する可能性があります。TCP スライディング ウィンドウ メカニズムがないため、通常は次の 2 つの方法で解決されます。
1) サーバー アプリケーション層は、送信データ速度を制御するフロー制御を設計します。
2) setsockopt 関数を使用して受信バッファのサイズを変更します。好き：

#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
	int n = 220x1024
	setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));

C/Sモデル

UDP は接続を維持する必要がないため、プログラム ロジックは非常に単純ですが、UDP プロトコルは信頼性が低く、通信の信頼性を確保するメカニズムをアプリケーション層で実装する必要があります。
サーバーをコンパイルして実行し、2 つの端末のそれぞれでクライアントを開いてサーバーと対話し、サーバーが同時にサービスを提供できるかどうかを確認します。Ctrl+C を使用してサーバーを閉じ、サーバーを実行して、クライアントが引き続きサーバーに接続できるかどうかを確認します。TCP プログラムの実行結果と比較すると、接続がないことの意味がわかります。

サーバ

#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 80
#define SERV_PORT 6666

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 at 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;
}

クライアント

#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 80
#define SERV_PORT 6666

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;
}

マルチキャスト (マルチキャスト)

マルチキャスト グループは永続的または一時的なものにすることができます。マルチキャスト グループ アドレスの一部は正式に割り当てられており、永続的なマルチキャスト グループと呼ばれます。永続的なマルチキャスト グループ内で変化しないのはその IP アドレスであり、グループ内のメンバーの構成は変更される可能性があります。永続的なマルチキャスト グループのメンバーの数は任意であり、ゼロにすることもできます。永続的なマルチキャスト グループ用に予約されていない IP マルチキャスト アドレスは、一時的なマルチキャスト グループで使用できます。

224.0.0.0～224.0.0.255 は予約済みマルチキャスト アドレス (永続グループ アドレス)、アドレス 224.0.0.0 は予約されており割り当てられておらず、他のアドレスはルーティング プロトコルによって使用されます。224.0.1.0 ～ 224.0.1.255 はパブリック マルチキャスト アドレスです
。インターネット上でご利用いただけますので、ご利用にはお申込みが必要です。
224.0.2.0 ～ 238.255.255.255 はネットワーク全体で有効なユーザーが使用できるマルチキャスト アドレス (一時的なグループ アドレス)、239.0.0.0
～ 239.255.255.255 は特定のローカル エリア内でのみ有効なローカル管理マルチキャスト アドレスです。

次のような ip ad コマンドを使用して、ネットワーク カード番号を表示できます。

itcast$ ip ad
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN グループのデフォルト
リンク/ループバック 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 スコープ ホスト lo
valid_lft 永久preferred_lft 永久
inet6 ::1/128 スコープ ホスト
valid_lft 永久preferred_lft
2: eth0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state DOWN グループ デフォルト qlen 1000
link /ether 00:0c:29:0a:c4:f4 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet6 fe80::20c:29ff:fe0a:c4f4/64 スコープ リンク
valid_lft 永遠にpreferred_lft 永久

if_nametoindex コマンドは、ネットワーク カードの名前に従ってネットワーク カードのシリアル番号を取得できます。

サーバ

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#define SERVER_PORT 6666
#define CLIENT_PORT 9000
#define MAXLINE 1500
#define GROUP "239.0.0.2"

int main(void)
{
    
    
	int sockfd, i ;
	struct sockaddr_in serveraddr, clientaddr;
	char buf[MAXLINE] = "itcast\n";
	char ipstr[INET_ADDRSTRLEN]; /* 16 Bytes */
	socklen_t clientlen;
	ssize_t len;
	struct ip_mreqn group;

	/* 构造用于UDP通信的套接字 */
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
	serveraddr.sin_family = AF_INET; /* IPv4 */
	serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* 本地任意IP INADDR_ANY = 0 */
	serveraddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

	bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

	/*设置组地址*/
	inet_pton(AF_INET, GROUP, &group.imr_multiaddr);
	/*本地任意IP*/
	inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &group.imr_address);
	/* eth0 --> 编号 命令：ip ad */
	group.imr_ifindex = if_nametoindex("eth0");
	setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &group, sizeof(group));

	/*构造 client 地址 IP+端口 */
	bzero(&clientaddr, sizeof(clientaddr));
	clientaddr.sin_family = AF_INET; /* IPv4 */
	inet_pton(AF_INET, GROUP, &clientaddr.sin_addr.s_addr);
	clientaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

	while (1) {
    
    
		//fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
		sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, sizeof(clientaddr));
		sleep(1);
	}
	close(sockfd);
	return 0;
}

クライアント

#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <net/if.h>

#define SERVER_PORT 6666
#define MAXLINE 4096
#define CLIENT_PORT 9000
#define GROUP "239.0.0.2"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
	struct sockaddr_in serveraddr, localaddr;
	int confd;
	ssize_t len;
	char buf[MAXLINE];

	/* 定义组播结构体 */
	struct ip_mreqn group;
	confd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	//初始化本地端地址
	bzero(&localaddr, sizeof(localaddr));
	localaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0" , &localaddr.sin_addr.s_addr);
	localaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

	bind(confd, (struct sockaddr *)&localaddr, sizeof(localaddr));

	/*设置组地址*/
	inet_pton(AF_INET, GROUP, &group.imr_multiaddr);
	/*本地任意IP*/
	inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &group.imr_address);
	/* eth0 --> 编号 命令：ip ad */
	group.imr_ifindex = if_nametoindex("eth0");
	/*设置client 加入多播组 */
	setsockopt(confd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &group, sizeof(group));

	while (1) {
    
    
		len = recvfrom(confd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
		write(STDOUT_FILENO, buf, len);
	}
	close(confd);
	return 0;
}

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