Socket编程---UDP篇

目录

一.   UDP协议

二.   Socket编程

2.1   sockaddr家族 

2.2   接口介绍 

三.   服务端实现

四.   服务端调用实现

五.   客户端实现

六.   效果展示

一.   UDP协议

何为UDP协议的含义，上篇粗略提及了一下TCP与UDP的区别：

TCP：

• 传输层协议

• 有连接

• 可靠传输

• 面向字节流

UDP：

• 传输层协议

• 无连接

• 不可靠传输

• 面向数据报

那何为可靠，何为不可靠呢？

 TCP协议是有连接的。如果两台主机想要建立通信，就必须先建立连接，通过三次握手（后续博客会讲到）建立连接，只有当连接成功后，才能进行通信。

TCP可靠性体现在：如果数据在传输过程中出现了丢包等等情况，会有相应的解决方法。

TCP可靠性实现方法：

  1. 确认和重传： TCP 使用确认和重传机制来确保数据的完整性和可靠性。接收方会发送确认（ACK）给发送方，告知已成功接收到数据，如果发送方未收到确认，会重新发送数据。
  2. 序号和顺序控制： TCP 会为每个数据段分配一个序号，并且在接收端按序重组数据，以确保数据包按正确的顺序交付。
  3. 流量控制： TCP 使用滑动窗口协议进行流量控制，确保发送方和接收方之间的数据传输速率合理，避免了数据包的过载和丢失。
  4. 拥塞控制： TCP 还实现了拥塞控制机制，通过动态调整发送速率来避免网络拥塞，以提高整体网络性能和稳定性。

UDP协议是无连接的，也就是会说，UDP通信时，无需等待建立连接，只需拿到对应通信主机的端口号+IP地址，就能唯一确定一个进程，实现通信。

 UDP不可靠机制：

UDP 不提供数据传输的确认、重传、排序等机制。如果发送端发送了数据包，不会收到接收端的确认。因此，如果一个数据包在传输中丢失或损坏，UDP 不会重传数据，接收方也无法得知数据包的丢失。

 但是，并不是说，TCP就是百利而无一害的。前面说了，TCP还有一个特性---面向字节流，这就导致了，目标主机读取到的内容可能并不是完整的源主机发送的内容。后续讲TCP实现的时候会体现出来。

二.   Socket编程

2.1   sockaddr家族 

此处我们再次引用一张图：

  • sockaddr_in结构体是用于跨网络通信的
  • sockaddr_un结构体是用于本地通信的

 为了让套接字的网络通信和本地通信能够使用同一套函数接口,于是就出现了sockaddr结构体,该结构体与sockaddr_in和sockaddr_un的结构都不相同,但这三个结构体头部的16个比特位都是一样的,这个字段叫做协议簇。

这样好处就是：

  • socket编程涉及到的接口函数传参时，只需统一传sockaddr类型的参数即可。
  • 此时通过sockaddr结构体，将套接字网络通信和本地通信在参数方面统一

注意事项：

在进行网络通信编程时，统一定义的还是sockaddr_in结构体，只不过在调用接口时需要将sockaddr_in结构强转位sockaddr类型。

2.2   接口介绍 

  • socket创建套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明：

1.domin：创建套接字的域或者叫做协议家族,也就是创建套接字的类型(指定通信所用到的协议家族)

相当于sockaddr结构的前16个位的内容。

如果是本地通信就选择AF_UNIX，如果是网络通信就选择AF_INET（IPV4）或者AF_INET6（IPV6），此处我们UDP通信由于是通过网络通信，所以选择AF_INET即可。后面TCP通信也是选择AF_INET。

2.type：创建套接字时所需的服务类型(指定具体的通信协议)

  • 如果是UDP通信，选择SOCK_DGRAM（用户数据报服务），UDP是面向数据报的。
  • 如果是TCP通信，选择SOCK_STREAM（流式套接字），TCP是面向字节流的。

3.protocol：创建套接字的协议类别

此处可以指明是UDP通信还是TCP通信，但是一般设置为0，表示默认。系统会自动根据前两个参数推导出是UDP通信还是TCP通信。

 返回值：

成功的话会返回打开的文件描述符。

注意事项：

  • socket函数属于系统调用接口。
  • socket函数是被进程调用的。
  • bind绑定
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

 参数说明：

1.sockfd：绑定的文件的文件描述符

我们调用socket函数后，会返回一个文件描述符，这里就需要绑定这个文件描述符。通信就依赖于这个文件描述符。sockfd是全双工的，既可以收数据，又可以发数据。

2.addr：一个包含自身网络信息的结构体

我们需要确定绑定的IP和端口号，才能通信。

3.addrlen：传入的addr结构体的长度

用sizeof求得即可。

返回值说明：

成功绑定0会被返回，失败-1会被返回，错误码会被设置。

  • 本机端口序列与网络端口序列互相转换函数
//htonl：表示将长整型的本机端口序列转换为长整型的网络端口序列。
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//htons：表示将短整型的本机端口序列转换为短整型的网络端口序列。
uint16_t htons(uint16_t hostshort);//ntohl：表示将长整型的网络端口序列转换为长整型的本机端口序列。
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);//ntohs：表示将短整型的网络端口序列转换为短整型的本机端口序列。
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

参数说明：

hostlong代表本机端口序列                                                        netlong代表网络端口序列

uint32_t即长整型                                                                       uint16_t即短整型

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

参数说明：

1.sockfd：对应操作的文件描述符

表示从该文件描述符索引的文件当中读取数据。

2.buf： 读取数据的存放位置


3.len： 期望读取数据的字节数


4.flags：读取的方式

一般设置为0,表示阻塞读取。


5.src_addr：对端网络相关的属性信息

包括协议簇、IP地址、端口号等。


6.addrlen：期望读取的src_addr结构体的长度

代表实际读取到的src_addr结构体的长度,这是一个输入输出型参数。

返回值说明：

成功实际读到的字节数会被返回，失败-1会被返回，错误码会被设置。

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

参数说明：

1.sockfd：对应操作的文件描述符

表示将数据写入到文件描述符索引的文件当中。

2.buf： 待写入数据的存放位置


3.len： 期望写入数据的字节数


4.flags：写入的方式

一般设置为0,表示阻塞写入。


5.dest_addr：对端网络相关的属性信息

包括协议簇、IP地址、端口号等。


6.addrlen：期望读取的dest_addr结构体的长度

代表实际读取到的dest_addr结构体的长度,这是一个输入输出型参数。

返回值说明：

成功实际写入的字节数会被返回，失败-1会被返回，错误码会被设置。 

三.   服务端实现

我们将服务端封装成一个类，并封装对应步骤在类函数中。

class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port): _sockfd(defaultfd), _port(port),_isrunning(false){}~UdpServer(){}private:int _sockfd;uint16_t _port; // 服务器所用的端口号bool _isrunning;
};

此处为什么服务端不需要IP地址呢?

这是因为服务器不好绑定一个具体的IP地址，不利于服务的广度。我们此处不设置具体的IP地址，就是为了任何IP都能连接服务器。

 服务端初始成员函数：

void InitServer()
{// 1.创建udp socket 套接字...必须要做的_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){LOG(FATAL, "socket error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);exit(SOCKET_ERROR);}LOG(INFO, "socket create success,sockfd: %d\n", _sockfd);// 2.1 填充sockaddr_in结构struct sockaddr_in local;     // struct sockaddr_in 系统提供的数据类型，local是变量，用户栈上开辟空间bzero(&local, sizeof(local)); // 清空local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port); // port要经过网络传输给对面，即port先到网络，所以要将_port,从主机序列转化为网络序列//a.字符串风格的点分十进制的IP地址转成4字节IP//b.将主机序列转成网络序列//in_addr_t inet_addr(const char* cp)->同时完成a&b//local.sin_addr.s_addr =inet_addr(_ip.c_str());local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//htonl(INADDR_ANY)// 2.2 bind sockfd和网络信息(IP(?)+Port)int n = bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){LOG(FATAL, "bind error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);exit(BIND_ERROR);}LOG(INFO, "socket bind success\n");}

大概步骤就是通过socket函数创建出套接字，然后填充一个sockaddr_in结构体，最后用这个结构体绑定创建的套接字。

此处LOG函数是仿照日常生活中网络服务的思路，一些操作都有着对应的日志记录，所以创建一个日志文件，实现日志功能。

#pragma once//日志
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<cstdio>
#include<string>
#include<ctime>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdarg.h>
#include<pthread.h>
#include"LockGuard.hpp"using namespace std;bool gIsSave=false;
const string logname="log.txt";void SaveFile(const string& filename,const string& message)
{ofstream out(filename,ios::app);if(!out.is_open()){return;}out<<message;out.close();
}//1.日志是有等级的
enum Level
{DEBUG=0,INFO,WARNING,ERROR,FATAL
};string LevelToString(int level)
{switch(level){case DEBUG: return "Debug";break;case INFO: return "Info";break;case WARNING: return "Warning";break;case ERROR: return "Error";break;case FATAL: return "Fatal";break;default: return "Unknown";break;}
}string GetTimeString()
{time_t curr_time=time(nullptr);struct tm* format_time=localtime(&curr_time);if(format_time==nullptr) return "None";char time_buffer[64];snprintf(time_buffer,sizeof(time_buffer),"%d-%d-%d %d:%d:%d",format_time->tm_year+1900,format_time->tm_mon+1,format_time->tm_mday,format_time->tm_hour,format_time->tm_min,format_time->tm_sec);return time_buffer;
}pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//2.日志是由格式的
// 日志等级 时间 代码所在的文件名/行数 日志的内容...
void LogMessage(string filename,int line,bool issave,int level,const char* format,...)
{string levelstr=LevelToString(level);string timestr=GetTimeString();pid_t selfid=getpid();//可变参数部分处理char buffer[1024];va_list arg;va_start(arg,format);vsnprintf(buffer,sizeof(buffer),format,arg);va_end(arg);LockGuard lockguard(&lock);string message;message="["+timestr+"]"+"["+levelstr+"]"+"[pid: "+to_string(selfid)+"]"+"["+filename+"]"+"["+to_string(line)+"]"+buffer+"\n";if(!issave){cout<<message;}else{SaveFile(logname,message);}
}void Test(int num,...)
{va_list arg;va_start(arg,num);while(true){int data=va_arg(arg,int);cout<<"data: "<<data<<endl;num--;}va_end(arg);//arg==NULL
}//C99新特性 __VA_ARGS__
#define LOG(level,format,...) do {LogMessage(__FILE__,__LINE__,gIsSave,level,format,##__VA_ARGS__);} while(0)
#define EnableFile() do {gIsSave=true;} while(0)
#define EnableScreen() do {gIsSave=false;} while(0)

此处我们引进了锁来保护临界资源，也是仿照C++中RAII的思路，创建了一个出了作用域自动销毁的锁。内容如下：

#ifndef __lock_GUARD_HPP__
#define __lock_GUARD_HPP__#include<iostream>
#include<pthread.h>class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t* mutex):_mutex(mutex){pthread_mutex_lock(_mutex);//构造加锁}~LockGuard(){pthread_mutex_unlock(_mutex);}
private:pthread_mutex_t* _mutex;
};#endif

服务端启动成员函数：

我们可以发现现实生活中，一些软件好像啥时候都能用。比如今天晚上我失眠了。诶！打开抖音刷刷。好像不管我们几点失眠，抖音都能刷视频。所以我们见微知著，服务器应该是一直运行的，这样不论客户端什么时候去访问都能得到回应。

void Start()
{//一直运行，直到管理者不想运行了，服务器都是死循环_isrunning=true;while(true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len=sizeof(peer);//1.我们要让server先收数据ssize_t n=recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);if(n>0){buffer[n]=0;InetAddr addr(peer);LOG(DEBUG,"get message from [%s:%d]: %s\n",addr.Ip().c_str(),addr.Port(),buffer);//2.我们要将server收到的数据，发回给对方sendto(_sockfd,buffer,strlen(buffer),0,(struct sockaddr*)&peer,len);}}_isrunning=false;
}

大概思路就是，我们需要先通过recvfrom函数接收客户端发来的消息，然后再通过sendto函数发回给客户端。

我们发现这个函数里面出现了一个新的东西，即InetAddr，这其实是一个结构体，我们来看看吧！

#include<iostream>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>using namespace std;class InetAddr
{
private:void GetAddress(string* ip,uint16_t* port){*port=ntohs(_addr.sin_port);//网络字节序转为主机字节序*ip=inet_ntoa(_addr.sin_addr);//将网络字节序IP转为点分式十进制IP}
public:InetAddr(const struct sockaddr_in &addr):_addr(addr){GetAddress(&_ip,&_port);}string Ip(){return _ip;}uint16_t Port(){return _port;}~InetAddr(){}
private:struct sockaddr_in _addr;string _ip;uint16_t _port;
};

这个结构体重包含了sockaddr_in结构对象，以及IP地址和端口号。

那么服务端代码合起来就是：

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
#include <stdlib.h>
#include "Log.hpp"
#include"InetAddr.hpp"using namespace std;enum
{SOCKET_ERROR = 1,BIND_ERROR,USAGE_ERROR
};const static int defaultfd = -1;class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port): _sockfd(defaultfd), _port(port),_isrunning(false){}void InitServer(){// 1.创建udp socket 套接字...必须要做的_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){LOG(FATAL, "socket error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);exit(SOCKET_ERROR);}LOG(INFO, "socket create success,sockfd: %d\n", _sockfd);// 2.1 填充sockaddr_in结构struct sockaddr_in local;     // struct sockaddr_in 系统提供的数据类型，local是变量，用户栈上开辟空间bzero(&local, sizeof(local)); // 清空local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port); // port要经过网络传输给对面，即port先到网络，所以要将_port,从主机序列转化为网络序列//a.字符串风格的点分十进制的IP地址转成4字节IP//b.将主机序列转成网络序列//in_addr_t inet_addr(const char* cp)->同时完成a&b//local.sin_addr.s_addr =inet_addr(_ip.c_str());local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//htonl(INADDR_ANY)// 2.2 bind sockfd和网络信息(IP(?)+Port)int n = bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){LOG(FATAL, "bind error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);exit(BIND_ERROR);}LOG(INFO, "socket bind success\n");}void Start(){//一直运行，直到管理者不想运行了，服务器都是死循环_isrunning=true;while(true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len=sizeof(peer);//1.我们要让server先收数据ssize_t n=recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);if(n>0){buffer[n]=0;InetAddr addr(peer);LOG(DEBUG,"get message from [%s:%d]: %s\n",addr.Ip().c_str(),addr.Port(),buffer);//2.我们要将server收到的数据，发回给对方sendto(_sockfd,buffer,strlen(buffer),0,(struct sockaddr*)&peer,len);}}_isrunning=false;}~UdpServer(){}private:int _sockfd;uint16_t _port; // 服务器所用的端口号bool _isrunning;
};

四.   服务端调用实现

由于我们将服务端封装成了一个类，所以需要创建出对象，然后调用初识函数以及开始函数。

#include<iostream>
#include<memory>
#include"UdpServer.hpp"
#include"Log.hpp"
using namespace std;void Usage(string proc)
{cout<<"Usage:\n\t"<<proc<<" local_port\n"<<endl;
}// ./udpserver port
int main(int argc,char *argv[])
{if(argc!=2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERROR);}EnableScreen();//string ip=argv[1];uint16_t port=stoi(argv[1]);unique_ptr<UdpServer> usvr=make_unique<UdpServer>(port);usvr->InitServer();usvr->Start();return 0;
}

思路就是，创建一个对象，依次调用两个成员函数，即可创建出服务端。

五.   客户端实现

客户端的创建前面一部分还是跟服务端一样，即创建套接字，构建目标主机结构体信息，即构建sockaddr_in结构体信息。唯一不同的是，客户端是不需要显示bind的。

为什么呢？

为了防止客户端的端口冲突。如果我们直接将客户端绑定了一个确定的端口号，其他人是不知道的，每个人都绑定一个确定的端口号，势必会有冲突。

那什么时候绑定呢？

在客户端首次发送消息数据的时候，操作系统会给客户端随机分配端口号，以防端口冲突。

void Usage(string proc)
{cout<<"Usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n"<<endl;
}// ./udpclient serverip serverport
int main(int argc,char *argv[])
{if(argc!=3){Usage(argv[0]);exit(1);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=stoi(argv[2]);//1.创建socketint sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){cerr<<"socket error"<<endl;}//2.client一定要bind，client也有自己的ip和port，但是不建议显示(和server一样用bind函数)bind//a.那如何bind呢？当udp client首次发送数据的时候，os会自动随机的给client进行bind--为什么？要bind，必然要和port关联！防止client port冲突//b.什么时候bind？首次发送数据的时候//构建目标主机的socket信息struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_family=AF_INET;server.sin_port=htons(serverport);server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());
}

下面就可以直接与服务端通信了。

string message;
//3.直接通信即可
while(true)
{cout<<"Please Enter# ";getline(cin,message);sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server));struct sockaddr_in peer;socklen_t len=sizeof(peer);char buffer[1024];ssize_t n=recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);if(n>0){buffer[n]=0;cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;}
}

通信时，首先通过sendto将要发送的信息发送到服务端，服务端收到后会将信息发送回来，然后再用recvfrom函数收到信息即可。

客户端整体代码如下：

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>using namespace std;void Usage(string proc)
{cout<<"Usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n"<<endl;
}// ./udpclient serverip serverport
int main(int argc,char *argv[])
{if(argc!=3){Usage(argv[0]);exit(1);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=stoi(argv[2]);//1.创建socketint sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){cerr<<"socket error"<<endl;}//2.client一定要bind，client也有自己的ip和port，但是不建议显示(和server一样用bind函数)bind//a.那如何bind呢？当udp client首次发送数据的时候，os会自动随机的给client进行bind--为什么？要bind，必然要和port关联！防止client port冲突//b.什么时候bind？首次发送数据的时候//构建目标主机的socket信息struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_family=AF_INET;server.sin_port=htons(serverport);server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());string message;//3.直接通信即可while(true){cout<<"Please Enter# ";getline(cin,message);sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server));struct sockaddr_in peer;socklen_t len=sizeof(peer);char buffer[1024];ssize_t n=recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);if(n>0){buffer[n]=0;cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;}}return 0;
}

六.   效果展示

最后服务端和客户端通信的效果如下：

可以看到服务端在创建套接字成功，bind成功之后开始工作。

客户端发送消息，服务端收到消息，并返还给客户端。 

总结：

好了，到这里今天的知识就讲完了，大家有错误一点要在评论指出，我怕我一人搁这瞎bb，没人告诉我错误就寄了。

祝大家越来越好，不用关注我（疯狂暗示）

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1总体方案设计 本设计基于PLC的电热水器的水箱水位控制系统的整体结构如图2.1所示&#xff0c;系统采用S7-1200 PLC为控制器&#xff0c;可以实现电热水器水箱中的水位、水温检测&#xff0c;并且用户可以设定目标水位和水温&#xff0c;在自动模式下&#xff0c;当水位低于低水…
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mysql 8.0 的 建表 和八种 建表引擎实例

mysql 8.0 的 建表 和八种 建表引擎实例

文章目录 MySQL 8.0 中&#xff0c;主要有以下四种常见的建表引擎一、InnoDB 引擎建表注意点建表知识点 二、MyISAM 引擎建表使用场景 三、Memory 引擎使用场景 四、Archive 引擎五、BLACKHOLE 引擎一、特点二、适用场景三、注意事项 六、MRG_MyISAM 引擎MRG_MyISAM 和 MyISAM …
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uniapp组件中的emit声明触发事件

uniapp组件中的emit声明触发事件

emit解析 在 uniapp 中&#xff0c;emit 主要用于组件间通信&#xff0c;特别是在子组件需要向父组件或者其他组件发送消息的时候。具体用途包括&#xff1a; 子传父数据&#xff1a;子组件通过 $emit 触发一个事件&#xff0c;并携带参数&#xff0c;父组件监听这个事件并对参…
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Oracle 网络安全产品安全认证检索

Oracle 网络安全产品安全认证检索

自2023年7月1日起&#xff0c;国家网信办、工业和信息化部、公安部、国家认证认可监督管理委员会统一公布和更新网络关键设备和网络安全专用产品清单。列入《网络关键设备和网络安全专用产品目录》的网络安全专用产品应当按照《信息安全技术网络安全专用产品安全技术要求》等相…
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笔记：应用Visual Studio Profiler分析CPU使用情况

笔记：应用Visual Studio Profiler分析CPU使用情况

一、目的&#xff1a;应用Visual Studio Profiler分析CPU使用情况 使用 Visual Studio Profiler 分析 CPU 使用情况可以帮助你识别性能瓶颈&#xff0c;优化代码&#xff0c;提高应用程序的响应速度。 二、实现 以下是如何使用 Visual Studio Profiler 分析 CPU 使用情况的详…
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保存json时，保存成自己喜欢的格式的方法（而不是直接保存成格式化的json文档）

保存json时，保存成自己喜欢的格式的方法（而不是直接保存成格式化的json文档）

保存json时&#xff0c;不是直接保存成格式化的json文档的格式的方法 前言&#xff0c;博主是如何把格式话的json格式保存成自己喜欢的json格式的保存成格式化的json文档的格式&#xff1a;带缩进格式全部保存成一行每条数据保存成一行&#xff1a; 保存成自己喜欢的格式碎碎念…
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