Linux下UDP编程

一.概念介绍

1.socket 是什么？

  socket（套接字）本质上是一个抽象的概念，它是一组用于网络通信的 API，提供了一种统一的接口，使得应用程序可以通过网络进行通信。在不同的操作系统中，socket 的实现方式可能不同，但它们都遵循相同的规范和协议，可以实现跨平台的网络通信。

2.socket实现通信的原理是基于网络协议栈。

  协议栈是一个由多个层次协议组成的网络协议体系结构，它负责对数据进行封装和解封装，并确保数据能够在网络上正确传输。

  当应用程序通过 socket 发送数据时，操作系统会将数据传递给协议栈的上层协议，该协议会对数据进行封装并添加一些必要的信息，例如目标 IP 地址和端口号等。然后将封装后的数据传递给下一层协议，直到数据最终被封装成一个网络包并通过网络发送到目标主机。

  当目标主机收到网络包后，协议栈会对数据进行解封装，并将数据传递给操作系统中的套接字。如果该套接字是一个监听套接字，操作系统会创建一个新的套接字来处理连接请求，并将新的套接字加入到协议栈中。如果该套接字是一个已连接套接字，操作系统会将数据传递给应用程序处理。

3.socket 是一个系统接口函数，由操作系统提供，用于实现网络编程的功能。通过 socket 函数，应用程序可以创建套接字、绑定地址、监听连接、发送和接收数据等操作，从而实现网络通信。

二.API介绍

1.创建套接字的函数是socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

/*

- 其中 “int domain”参数表示套接字要使用的协议簇，协议簇的在“linux/socket.h”里有详细定义，常用的协议簇：

AF_UNIX（本机通信）

AF_INET（TCP/IP – IPv4）

AF_INET6（TCP/IP – IPv6）

- 其中 “type”参数指的是套接字类型，常用的类型有：

SOCK_STREAM（TCP流）

SOCK_DGRAM（UDP数据报）

SOCK_RAW（原始套接字）

- 最后一个 “protocol”一般设置为“0”，也就是当确定套接字使用的协议簇和类型时，这个参数的值就为0，但是有时候创建原始套接字时，并不知道要使用的协议簇和类型，也就是domain参数未知情况下，这时protocol这个参数就起作用了，它可以确定协议的种类。

socket是一个函数，那么它也有返回值，当套接字创建成功时，返回套接字，失败返回“-1”，错误代码则写入“errno”中。

*/

// 实例

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <linux/socket.h>

int sock_fd_tcp;

    int sock_fd_udp;

    sock_fd_tcp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);     // 创建tcp通讯的套接字

    sock_fd_udp = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 创建udp通讯的套接字

    if(sock_fd_tcp < 0) {

        perror("TCP SOCKET ERROR!\n");

        exit(-1);

     }

    if(sock_fd_udp < 0) {

        perror("UDP SOCKET ERROR!\n");

        exit(-1);

     }

2.地址与端口设置的结构体 sockaddr_in

#include <netinet/in.h>

   

struct sockaddr_in{

     unsigned short         sin_family;    

     unsigned short int     sin_port;      

     struct in_addr         sin_addr;      

     unsigned char          sin_zero[8];   

};

struct in_addr{

     unsigned long     s_addr;  // 这是一个无符号32位整数，用于存储IPv4地址

};

/*

sin_family表示地址类型，对于基于TCP/IP传输协议的通信，该值只能是AF_INET；

sin_prot表示端口号，例如：21 或者 80 或者 27015，总之在0 ~ 65535之间；

sin_addr表示32位的IP地址，例如：192.168.1.5 或 202.96.134.133；

sin_zero表示填充字节，一般情况下该值为0；

Socket数据的赋值实例：

*/

// 实例

 struct sockaddr_in addr;

 memset(&addr, 0, sizeof(addr));  // 将结构体清零  主要是sin_zero表示填充字节为零

 addr.sin_family = AF_INET; //（TCP/IP – IPv4）

 addr.sin_port = htons(port_out);    // 绑定端口号 htons将一个无符号短整型数值转换为网络字节序

 addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 绑定IP htonl就是把ip字节顺序转化为网络字节顺序

                                            

// INADDR_ANY 泛指机器所有的IP因为有些电脑不只有一个网卡；INADDR_ANY 是一个宏，表示“任意地址”，通常用于服务器在绑定套接字时指定其愿意监听的地址。通常被赋值为 0.0.0.0 的网络字节序表示。

3.把名字和套接字相关联 bind()

int bind( int  sockfd,  const struct sockaddr * addr, socklen_t * addrlen);

/*

当用socket()函数创建套接字以后，套接字在名称空间(网络地址族)中存在，但没有任何地址给它赋值。bind()把用addr指定的地址赋值给用文件描述符代表的套接字sockfd。addrlen指定了以addr所指向的地址结构体的字节长度。一般来说，该操作称为“给套接字命名”。

通常，在一个SOCK_STREAM套接字接收连接之前，必须通过bind()函数用本地地址为套接字命名。

*/

// 实例

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

struct sockaddr_in addr;

socklen_t addr_len = sizeof(addr);

if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){

    printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_out);

    close(sockfd);

    return false;

}

4.接收消息的函数recvfrom()

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

/*

recvfrom: 用于接收数据

- sockfd：用于接收UDP数据的套接字；

- buf：保存接收数据的缓冲区地址；

- len：可接收的最大字节数（不能超过buf缓冲区的大小）；

- flags：可选项参数，若没有可传递0；

- src_addr：存有发送端地址信息的sockaddr结构体变量的地址；

- addrlen：保存参数 src_addr的结构体变量长度的变量地址值。

*/

5.发送消息的函数sendto()

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

/*

sendto:用于发送数据

- sockfd：用于传输UDP数据的套接字；

- buf：保存待传输数据的缓冲区地址；

- len：带传输数据的长度（以字节计）；

- flags：可选项参数，若没有可传递0；

- dest_addr：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；

- addrlen：传递给参数 dest_addr的地址值结构体变量的长度。

*/

注意：UDP套接字不会保持连接状态，每次传输数据都要添加目标地址信息，这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。

三.代码示例

1.udp server

#include<sys/select.h>

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/socket.h>

#include<arpa/inet.h>

#include<netinet/in.h>

#include <cstdlib>

#include <cstdio>

#include <cstring>

#include <iostream>

int main(){

    //同一台电脑测试，需要两个端口

    int port_in  = 12321;

    int port_out = 12322;

    int sockfd;

    // 创建socket

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if(-1==sockfd){

        return false;

        puts("Failed to create socket");

    }

    // 设置地址与端口

    struct sockaddr_in addr;

    socklen_t addr_len = sizeof(addr);

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));

    addr.sin_family = AF_INET;       // Use IPV4

    addr.sin_port = htons(port_out);    //

    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    

   // Time out

    struct timeval tv;

    tv.tv_sec  = 0;

    tv.tv_usec = 200000;  // 200 ms

    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char*)&tv, sizeof(struct timeval));

    // Bind 端口，用来接受之前设定的地址与端口发来的信息,作为接受一方必须bind端口，并且端口号与发送方一致

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){

        printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_out);

        close(sockfd);

        return false;

    }

    char buffer[128];

    memset(buffer, 0, 128);

    int counter = 0;

    while(1){

        struct sockaddr_in src;

        socklen_t src_len = sizeof(src);

        memset(&src, 0, sizeof(src));

     // 阻塞住接受消息

        int sz = recvfrom(sockfd, buffer, 128, 0, (sockaddr*)&src, &src_len);

        if (sz > 0){

            buffer[sz] = 0;

            printf("Get Message %d: %s\n", counter++, buffer);

        }

        else{

            puts("timeout");

        }

    }

    close(sockfd);

    return 0;

}

2.udp client

#include<sys/select.h>

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/socket.h>

#include<arpa/inet.h>

#include<netinet/in.h>

#include <cstdlib>

#include <cstdio>

#include <cstring>

#include <iostream>

int main(){

    int port_in  = 12321;

    int port_out = 12322;

    int sockfd;

    // 创建socket

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if(-1==sockfd){

        return false;

        puts("Failed to create socket");

    }

    // 设置地址与端口

    struct sockaddr_in addr;

    socklen_t  addr_len=sizeof(addr);

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));

    addr.sin_family = AF_INET;       // Use IPV4

    addr.sin_port   = htons(port_in);    //

    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    // Time out

    struct timeval tv;

    tv.tv_sec  = 0;

    tv.tv_usec = 200000;  // 200 ms

    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char*)&tv, sizeof(struct timeval));

    

    // 绑定获取数据的端口，作为发送方，不绑定也行

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, addr_len) == -1){

        printf("Failed to bind socket on port %d\n", port_in);

        close(sockfd);

        return false;

    }

    int counter = 0;

    while(1){

        

        addr.sin_family = AF_INET;

        addr.sin_port   = htons(port_out);

        addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

        sendto(sockfd, "hello world", 11, 0, (sockaddr*)&addr, addr_len);

        printf("Sended %d\n", ++counter);

        sleep(1);

    }

    close(sockfd);

    return 0;

}

3.测试结果

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