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4 基于UDP的服务器端/客户端
4.1 UDP套接字的特点
- 通过寄信来说明 UDP 的工作原理，它与 UDP 的特点完全相同。寄信前应先在信封上填好寄信人和收信人的地址，之后贴上邮票放进邮筒即可。当然，信件的特点使我们无法确认信件是否被收到。邮寄过程中也可能发生信件丢失的情况。也就是说，信件是一种不可靠的传输方式，UDP 也是一种不可靠的数据传输方式。
- 如果只考虑可靠性，TCP 的确比 UDP 好。但 UDP 在结构上比 TCP 更简洁。UDP 不会发送类似ACK的应答消息，也不会像SEQ那样给数据包分配序号。因此，UDP的性能有时比TCP高出很多。编程中实现UDP也比TCP简单。另外，UDP的可靠性虽比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁。因此，在更重视性能而非可靠性的情况下，UDP是一种很好的选择。
- TCP在不可靠的 IP 层进行流控制，而 UDP 就缺少这种流控制机制。TCP 与 UDP 的区别很大一部分来源于流控制，也就是说 TCP 的生命在于流控。
4.2 UDP协议适用场景
虽然大部分网络编程都基于TCP实现，但也有一些是基于UDP实现的。网络传输特性导致信息丢失频发，可若要传递压缩文件（发送1万个数据包时，只要丢失1个就会产生问题），则必须使用TCP，因为压缩文件只要丢失一部分就很难解压。但通过网络实时传输视频或音频时的情况有所不同。对于多媒体数据而言，丢失一部分也没有太大问题，这只会引起短暂的画面抖动，或出现细微的杂音。但因为需要提供实时服务，速度就成为非常重要的因素。但 UDP 并非每次都快于 TCP，TCP 比 UDP 慢的原因通常有以下两点：
- 收发数据前后进行的连接设置及清除过程（三次握手、四次挥手）
- 收发过程中为保证可靠性而添加的流控制（超时重传、应答机制、校验和、滑动窗口等）
4.3 基于UDP数的I/O函数
UDP 通讯也使用 socket，但是接收和发送的函数与 TCP 不一样。由于 UDP 不存在握手这一步骤，所以在绑定地址之后，服务端不需要 listen，客户端也不需要 connect，服务端同样不需要 accept。只要服务端绑定以后，就可以相互发消息了，由于没有握手过程，两端都不能确定对方是否收到消息，这也是UDP协议不如TCP协议可靠的地方。
创建好 TCP 套接字后，收发数据时无需在添加地址信息（send、recv）。因为 TCP 套接字将保持与对方套接字的连接。换言之，TCP 套接字直到目标地址信息。但 UDP 套接字不会保持连接状态，因此每次传输数据都要添加目标地址信息（sendto、recvfrom）。
（1）发送数据 sendto
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
/**
* 向指定地址发送缓冲区中的数据（一般用于UDP模式）
* sockfd：用于传输数据的UDP套接字文件描述符
* buf：保存待传输数据的缓冲区地址
* len：待传输数据长度，以字节为单位
* flags：传输控制标志，通常为0，表示不使用特殊行为
* dest_addr：可以填NULL，如果不是NULL，填对方的sockaddrin地址
* addrlen：传递给参数dest_addr的地址值结构体长度
* return：成功返回传输字节数，失败返回-1
*/（2）接收数据 recvfrom
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
/**
* 将接收到的消息放入缓冲区buf中
* sockfd：用于传输数据的UDP套接字文件描述符
* buf：保存待传输数据的缓冲区地址
* len：待传输数据长度，以字节为单位
* flags：传输控制标志，通常为0，表示不使用特殊行为
* src_addr：可以填NULL，如果不是NULL，则填对方sockaddrin的地址
* addrlen：传递给参数src_addr的地址值结构体长度
* return：成功返回传输字节数，失败返回-1
*/4.4 基于UDP的回声服务器端/客户端
（1）服务器端 uecho_server.c
#define handle_error(cmd,result) \
if(result < 0) \
{ \
perror(cmd); \
return -1; \
} \
int main(int argc, char const *argv[])
{
struct sockaddr_in serv_addr,clnt_addr;
char *buf = malloc(sizeof(char) * 1024);
memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
memset(&clnt_addr,0,sizeof(clnt_addr));
if(argc != 2) {
printf("Usage：%s <port>\n",argv[0]);
exit(1);
}
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&serv_addr.sin_addr);
//为了创建UDP套接字，向socket函数第二个参数传递SOCK_DGRAM
int serv_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
handle_error("socket",serv_sock);
int temp=bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
handle_error("bind",temp);
socklen_t client_len = sizeof(clnt_addr);
do {
memset(buf,0,sizeof(buf));
//UDP协议接收到客户端发送过来的数据后，系统会记录客户端的IP地址和端口号到结构体中
int str_len=recvfrom(serv_sock,buf,1024,0,(struct sockaddr*)&clnt_addr,&client_len);
printf("接收到客户端%s %d 信息：%s",inet_ntoa(clnt_addr.sin_addr),
ntohs(clnt_addr.sin_port),buf);
sendto(serv_sock,buf,str_len,0,(struct sockaddr*)&clnt_addr,sizeof(clnt_addr));
} while(1);
close(serv_sock);
free(buf);
return 0;
}注：为了创建UDP套接字，向socket函数第二个参数传递 SOCK_DGRAM
（2）客户端 uecho_client.c
#define handle_error(cmd,result) \
if(result < 0) \
{ \
perror(cmd); \
return -1; \
} \
int main(int argc, char const *argv[])
{
struct sockaddr_in serv_addr,clnt_addr;
char* buf = malloc(sizeof(char)*1024);
memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
memset(&clnt_addr,0,sizeof(clnt_addr));
if(argc != 3) {
printf("Usage：%s <IP> <port>\n",argv[0]);
exit(1);
}
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
inet_pton(AF_INET,argv[1],&serv_addr.sin_addr);
int clnt_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
handle_error("socket",clnt_sock);
socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);
do
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
fputs("Input message(Q to quit):",stdout);
fgets(buf,1024,stdin);
if(!strcmp(buf,"q\n") || !strcmp(buf,"Q\n"))
break;
sendto(clnt_sock,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
recvfrom(clnt_sock,buf,1024,0,(struct sockaddr *)&serv_addr,&serv_len);
printf("Message from server：%s",buf);
} while (1);
close(clnt_sock);
free(buf);
return 0;
}（3）测试结果
（4）UDP客户端套接字的地址分配
如果仔细观察 UDP 客户端就会发现缺少了把IP和端口分配给套接字的过程。TCP 客户端调用 connect 函数自动完成此过程，而 UDP 中连能承担相同功能的函数调用语句都没有。究竟在什么时候分配IP和端口号呢？
在 UDP 程序中，在首次调用 sendto 函数时给相应套接字自动分配 IP 和端口号（IP 用主机IP，端口号用未选用的任意端口号），此时分配的地址一直保留到程序结束为止，该地址可以用来和其他 UDP 套接字进行数据交换。因此，UDP客户端通常无需额外的地址分配。
4.5 UDP的数据传输特性
上一章节说过TCP数据传输不存在数据边界，这表示数据传输过程中调用 I/O 函数的次数不具有任何意义。相反，UDP 是具有数据边界的协议，因此，输入函数的调用次数应和输出函数调用次数完全一致，这样才能保证接收全部已经发送的数据。例如，调用 3 次输出函数发送的数据必须通过调用 3 次输入函数才能接收完。下面通过简单示例进行验证
（1）bound_host1.c
int main(int argc, char const *argv[])
{
struct sockaddr_in my_addr,your_addr;
char* message = malloc(sizeof(char)*1024);
memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr));
memset(&your_addr,0,sizeof(your_addr));
if(argc != 2) {
printf("bufUsage：%s <port>\n",argv[0]);
exit(1);
}
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&my_addr.sin_addr);
int serv_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
handle_error("socket",serv_sock);
int temp = bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(my_addr));
handle_error("bind",temp);
socklen_t your_addr_len = sizeof(your_addr);
for(int i = 0;i < 3;i++) {
memset(message,0,sizeof(message));
sleep(5);
recvfrom(serv_sock,message,1024,0,
(struct sockaddr *)&your_addr,&your_addr_len);
printf("接收到客户端%s %d 信息第%d条消息：%s\n",
inet_ntoa(your_addr.sin_addr),
ntohs(your_addr.sin_port),i+1,message);
}
close(serv_sock);
free(message);
return 0;
}
上述示例中需要特别留意的是 for 语句。循环中调用了 sleep 函数，使程序停顿时间等于传递来的时间（以秒为单位）。也就是说，循环中每隔5秒调用1次 recvfrom 函数。
（2）bound_host2.c
int main(int argc, char const *argv[])
{
struct sockaddr_in your_addr;
char msg1[] = "Hi";
char msg2[] = "I'm another UDP host!";
char msg3[] = "Nice to meet you";
memset(&your_addr,0,sizeof(your_addr));
if(argc != 3) {
printf("Usage：%s <IP> <port>\n",argv[0]);
exit(1);
}
your_addr.sin_family = AF_INET;
your_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
inet_pton(AF_INET,argv[1],&your_addr.sin_addr);
int clnt_sock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
handle_error("socket",clnt_sock);
socklen_t serv_len = sizeof(your_addr);
sendto(clnt_sock,msg1,sizeof(msg1),0,(struct sockaddr *)&your_addr,sizeof(your_addr));
sendto(clnt_sock,msg2,sizeof(msg2),0,(struct sockaddr *)&your_addr,sizeof(your_addr));
sendto(clnt_sock,msg3,sizeof(msg3),0,(struct sockaddr *)&your_addr,sizeof(your_addr));
close(clnt_sock);
return 0;
}bound_host2.c 程序 3 次调用 sendto 函数传输数据，bound_host1.c 则调用 3 次 recvfrom 函数接收数据。recvfrom 函数调用间隔为 5 秒，因此，调用 recvfrom 函数之前就已经调用了 3 次 sendto函数。也就是说，此时数据已经传输到 bound_host1.c。如果是 TCP 程序，这时只需调用 1 次输入函数即可读人数据。UDP 则不同，在这种情况下也需要调用 3 次 recvfrom 函数接收。
（3）测试结果
4.6 已连接UDP套接字与未连接UDP套接字（可略过）
TCP 套接字中需注册待传输数据的目标IP和端口号，而在 UDP 中无需注册。因此通过 sendto 函数传输数据的过程大概可以分为以下 3 个阶段：
- 向 UDP 套接字注册目标 IP 和端口号
- 传输数据
- 删除 UDP 套接字中注册的目标地址信息
每次调用 sendto 函数时重复上述过程。每次都变更目标地址，因此可以重复利用同一 UDP 套接字向不同目标传递数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，反之，注册了目标地址的套接字称为连接套接字。显然，UDP 套接字默认属于未连接套接字。当一台主机向另一台主机传输很多信息时，上述的三个阶段中，第一个阶段和第三个阶段占整个通信过程中近三分之一的时间，缩短这部分的时间将会大大提高整体性能。
sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr));
上述代码看似与 TCP 套接字创建过程一致，但 socket 函数的第二个参数分是 SOCK_DGRAM 。也就是说，创建的的确是 UDP 套接字。当然 UDP 调用 connect 函数并不是意味着要与对方 UDP 套接字连接，这只是向 UDP 套接字注册目标IP和端口信息。之后就与 TCP 套接字一致，每次调用 sendto 函数时只需传递信息数据。不仅可以使用 sendto、recvfrom 函数，还可以使用 write、read 函数进行通信。
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