UDP协议和Socket编程
目录
UDP协议和Socket编程
天天开心！！！
一、UDP的特点
UDP（User Datagram Protocol，用户数据协议）是互联网协议套件中的一种传输层协议，与广泛使用的TCP（Tramsmission Control Protocol，传输控制协议）相比，它是一种无连接、不可靠的协议。UDP被用于对传输速度要求较高、但对可靠性要求较低的场景。
二、TCP和UDP的区别
UDP（用胡数据报协议）和TCP（传输控制协议）都是传输层协议，负责在网络中传输数据，但它们的设计目标和实现方式有很大的区别。
以下是UDP和TCP的主要区别：
三、UDP的包头格式
UDP伪首部（Pseudo Header）
伪首部适用于计算校验和的虚拟头部信息，它不包含在实际传输的数据中，但用于保证数据完整性。伪首部包含以下字段
- 32位源IP地址：表示数据包的源IP地址，即发送方的IP地址
- 32位目的IP地址：表示数据包的目的IP地址，即接收方的IP地址
- 0：固定填充的8位0字段，不使用
- 8位协议（17）：标识传输协议类型。对于UDP协议来说，这个字段的值是17
- 16位UDP长度：表示整个UDP数据报的长度，包括UDP首部和数据部分
UDP首部
UDP首部是真正的数据报头部，它包含了与UDP通信相关的基本信息。UDP首部固定为8字节，包含以下字段：
16位源端口号：发送方的端口号，标识发送数据的应用程序。如果不需要，值可以为0
16位目的端口号：接收方的端口号，表示接收数据的应用程序
16位UDP长度：表示UDP报文的总长度（包括UDP首部和数据部分）。由于UDP首部固定为8字节，因此长度至少为8
16位UDP校验和：用于确保数据报在传输过程中没有被破坏。它由UDP伪首部、UDP首部和数据部分计算而得。如果发送方不计算校验和，则该字段可以为0。
数据部分
UDP数据报的实际数据内容。数据部分的长度可以根据具体的应用需求而变化，但必须与首部中的UDP长度字段保持一致
填充字段（0）
数据包需要一定的字节对齐规则（如32位对齐）填充到合适的长度，以确保数据包的完整性和便于传输
重点
UDP伪首部并不实际存在于UDP报文中，它仅在计算校验和时使用，用于提供更多的上下文（如IP地址）来验证数据的完整性
UDP首部非常简单，仅有8字节，保证了UDP的轻量和高效
UDP数据：携带的实际传输数据，长度可以根据应用而变化
这个图展示了UDP协议的简单性和高效性，因为UDP协议不需要复杂的连接管理或传输控制机制。
四、UDP Socket编程流程
- UDP客户端流程
- socket（）：创建一个UDP套接字（Socket）。这是启动UDP通信的第一步，客户端通过调用socket（）函数生成一个用于通信的套接字
- sendto（（）：向服务器发送数据。客户端使用sendto（）函数来将数据报发送到指定的服务器IP地址和端口。这是一个无连接的操作，不需要事先建立连接
- 等待响应：客户端待用recvform（）函数，进入阻塞状态，等待从服务器返回的数据。recvform（）会接收来自服务器的数据报，函数会在接收到数据后解除阻塞。
- recvform（）：接收到服务器返回的数据后，继续处理该数据。
- close（）：通信完成后，关闭客户端套接字，释放系统资源。
- UDP服务器流程
- socket（）：与客户端一样，服务器首先创建一个UDP套接字，通过调用socket（）函数。
- bind（）：将套接字与指定的IP地址和端口绑定。服务器必须绑定到一个特定的端口上。这样才能接收来自客户端的数据，bind（）是服务器端持有的操作，客户端通常不需要显式的调用bind（）
- recvform（）：服务器使用recvform（）接收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到接收到数据为止。
- 处理请求：收到数据后，服务器使用recvform（）接收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到接收到数据为止。
- sendto（）：处理完成后，服务器通过sendto（）向客户端发送响应数据。
- 继续等待：服务器可以继续调用recvform（）来接收下一个数据请求
- 图中的其他元素
- 阻塞直到收到数据：无论是客户端还是服务器，调用recvform（）后，程序会进入阻塞状态，等待对方发送数据，这是一个UDP通信中的常见模式
- 数据请求和数据响应：图中显示了客户端向服务器发送请求数据，服务器处理后会返回响应数据的流程。
- UDP通信的特点
- 无连接：UDP协议是无连接的，客户端不需要先与服务器建立连接，直接发送数据。服务器收到数据后可以立即处理。
- 阻塞模式：图中显示的recvform（）操作是阻塞的，直到有数据到来才会继续执行
- 简单轻量：由于UDP不需要维护连接状态，它比TCP更加简单和轻量，适用于对实时性要求高但是对数据可靠性要求较低的场景。
五、UDP代码实现
- UDP服务器代码实现
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024
int main()
{
int sockfd;
char buffer[BUFFER_SIZE];
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
//创建UDPsocket
sockfd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd<0)
{
cerr<<"socket error"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
//配置服务器地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET; //IPv4
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //监听所有地址
server_addr.sin_port = htons(PORT); //端口号
//绑定socket到地址
if(bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr))<0)
{
cerr<<"bind error"<<endl;
clsoe(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
cout<<"Server is listening on port "<<PORT<<endl;
while(true)
{
//接收消息
int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
buffer[n]='\0';
cout<<"Client:"<<buffer<<endl;
//响应消息
const char* message="Message received!!!";
sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
}
close(sockfd);
return 0;
}- UDP客户端代码实现
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
#define PORT 8080 // 端口号
#define BUFFER_SIZE 1024 // 缓冲区大小
#define IP "127.0.0.1" //定义服务器地址
int main()
{
int sockfd;
char buffer[BUFFER_SIZE];
struct sockaddr_in server_addr;
//创建UDP套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd <0)
{
cerr<<"Socket creation faliure"<<endl;
return -1;
}
//配置服务器地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
//使用inet_pton将IP地址从字符串转换为网络字节序
if(inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr)<=0)
{
cerr<<"Invalid address/Address not supported"<<endl;
close(sockfd);
return -1;
}
while(true)
{
//发送消息到服务器
string message;
cout<<"Enter message: ";
getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入
//发送消息
int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
if(send_result<0)
{
cerr<<"Failed to send message"<<endl;
break;
}
//接收服务器的响应
socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
if(n<0)
{
cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
break;
}
buffer[n]='\0';
cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
}
close(sockfd);
return 0;
}- Windows客户端的代码实现
- 头文件和库的引入
- 在Windows中需要引入winsock2.h和ws2tcpip.h，并且需要链接Ws2_32.lib库
- Winsock初始化和清理
- 在Windows中，使用网络功能之前需要调用WSAStartup（）进行初始化，使用完毕后需要调用WSACleanup（）释放资源
- Windows和Linux之间的一些差异
- close（）在Windows上对应的是closesocket（）
- perroor（）函数在Windows上不常用，通常使用std：：cerr输出错误
#include <iostream>
#include <string>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
using namespace std;
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib") //链接ws2_32.lib库
#define PORT 8080 // 端口号
#define BUFFER_SIZE 1024 // 缓冲区大小
#define IP "127.0.0.1" //定义服务器地址
int main()
{
WSADATA wsaData; // 用于初始化WinSock
SOCKET sockfd;
char buffer[BUFFER_SIZE];
struct sockaddr_in server_addr;
//初始化WinSock
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
cout << "WSAStartup failed." << endl;
return 1;
}
//创建UDP套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == INVALID_SOCKET)
{
cout << "socket failed." << endl;
WSACleanup();
return 1;
}
//配置服务器地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
// inet_pton函数用于将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的二进制地址
if (inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr) <= 0)
{
cout << "inet_pton failed." << endl;
closesocket(sockfd);
WSACleanup();
return 1;
}
while(true)
{
//发送消息到服务器
string message;
cout<<"Enter message: ";
getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入
//发送消息
int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
if(send_result<0)
{
cerr<<"Failed to send message"<<endl;
break;
}
//接收服务器的响应
socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
int n=recvfrom(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
if(n<0)
{
cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
break;
}
buffer[n]='\0';
cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
}
closesocket(sockfd);
WSACleanup();
}六、函数细节
关于recvform（）函数
recvform（）函数是套接字编程中用于从他套接字接收数据的一个函数，特别用于UDP协议下的数据接收。它允许程序从一个未连接的套接字（如UDP套接字）接收数据报。下面是对recvform（）函数及其参数int n=recvform（sockfd，buffer，BUFFER_SIZE，0，nullptr，nullptr）;的详细解释：
- 函数原型
ssize_t recvform（int sockfd，void *buf，size_t len，int falgs，struct sockaddr *src_addr，socklen_t *addrlen）;参数解释：
- sockfd：套接字描述符，这个套接字通常是通过socket（）函数创建的，并且绑定到了一个特定的端口（对于UDP来说）
- buf：指定数据缓冲区的指针，这个缓冲区用于存储接收到的数据。接收的数据会被复制到这个缓冲区中
- flags：标志位，用于修改recvform的行为，常用的标志包括MSG_PEEK（查看数据但不从队列中移除），MSG_WAITALL（请求阻塞操作直到接收到完整的请求数据，但这对于UDP来说通常不适用，因为UDP是无连接的、数据报驱动的协议）等。
- src_addr：：指向sockaddr结构体的指针，用于存储发送方的地址信息。如果不需要这个信息，可以传递nullptr。。。
- addrlen：指向socklen_t变量的指针，该变量在带哦用前应该被初始化位src_addr所指向的地址结构的大小。在函数被调用后，这个变量会被更新为实际存储在src_addr中的地址结构的大小。如果src_addr是nullptr，则addrlen也应该是nullptr。
返回值：recvform（）函数
返回成功接收到的字节数。如果返回0，表示连接已正常关闭（但这对UDP来说并不常见，因为UDP是无连接的），如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查。
关于memset
memset是一个C/C++标准库函数，用于将一块内存区域的内容设置为指定的值。它通常用于初始化数组或结构体，以确保在使用这些数据之前内存中的内容是已知的。memset函数定义在（C++）中或《string.h》（C）头文件中。
- 函数原型
void * memset（void *ptr，int value，size_t num）;- 参数说明
- ptr：指向要设置的内存块的指针
- value：要设置的值，这个值会被转换成unsigned char类型，并且将其填充到内存块中
- num：要设置的字节数
关于sendto（）函数
sendto函数是套接字编程中用于发送数据的一个函数，特别适用于UDP协议下的数据发送。它允许程序向指定的地址发送数据报。
- 函数原型
ssize_t sendto（int sockfd ，const void *buf，size_t len，int flags,const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen）;- 参数解释
- sockfd：套接字描述符，对于UDP来说，它可能还没有通过connect函数与特定的远程地址关联
- buf：只想数据缓冲区的指针
- len：指定了buf缓冲区的长度
- flags：标志位，用于修改sendto的行为。常用的标志包括MSG_CONFIRM（请求确认消息已发送）、MSG_TROUTE（绕过路由表直接发送）等。
- dest_addr：指向sockaddr结构体的指针，用于指定接收方的地址信息。这个结构体包含了目标主机的IP地址和端口号。
- addrlen：指定了dest_addr所指向的地址结构的大小。这个值是通过sizeof操作符获取的
- 返回值：sendto（）函数返回成功发送的字节数。如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查
WASDATA结构体
WASDATA是Windows Sockets API（Winsock）中的一个结构体，包含有关Windows Sockets的实现版本和系统的配置信息。在调用WSAStartup（）函数时，应用程序必须传递该结构体的指针，以便Winsock初始化并返回相关信息。
- WSADATA结构体定义在<winsock2.h>头文件中，具体如下：
typedef struct WSAData{
WORD wVersion； //Winsock实现的版本号
WORD wHighVersion；//支持的最高版本号
char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1]；//描述Winsock的文本字符串
char szSystemStatus[WSASYSSTATUS_LEN+1]；//当前的状态或配置
unsigned short iMaxSockets;//系统支持的最大套接字数
unsigned short iMaxUdpDg；//支持的最大UDP数据报大小
char *IpVendorInfo；//供应商特定的信息
}WSADATA，*LPWSADATA;七、UDP的挑战
