UDP协议学习

C++ 学习之路

一、 C++ 中构造函数与析构函数简单解析

二、 Makefile 编写简单教程

三、UDP协议学习

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前言

  UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的、简单的传输层通信协议，它在IP协议（网络层）之上提供服务。UDP的主要特点是它不保证数据包的顺序、完整性或可靠性，因此它通常用于那些对实时性要求高但可以容忍一定数据丢失的应用场景，比如视频流、音频流、在线游戏等。

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一、UDP 协议介绍

UDP 的定义

  UDP 是一种位于传输层的无连接通信协议，它建立在 IP 协议（网络层）之上，为应用程序提供了一种简单而快速的数据传输方式。与 TCP 不同，UDP 不建立连接，直接将数据封装成数据包进行发送。

UDP 与其他协议的对比

  与 TCP 相比，UDP 具有明显的不同。TCP 是一种面向连接、可靠的传输协议，它通过三次握手建立连接，保证数据的顺序、完整性和可靠性。而 UDP 则是无连接的，不保证数据的顺序、完整性或可靠性。UDP 的头部结构也比 TCP 简单得多，只有 8 个字节，而 TCP 头部至少需要 20 个字节。

二、UDP 协议的主要特性

无连接特性

  在数据传输前，UDP 不需要像 TCP 那样进行三次握手建立连接。这使得 UDP 能够快速地发送数据，适用于对实时性要求高的应用场景。例如，在视频会议中，每一帧图像的数据都需要尽快传输到接收方，而建立连接的过程会带来额外的延迟。

尽最大努力交付

  UDP 不保证数据包的可靠传输，如果数据包在传输过程中丢失，UDP 不会尝试重新发送。这意味着应用程序需要自己处理数据丢失的情况。然而，在一些应用场景中，如实时视频流，偶尔的数据丢失是可以接受的，因为接收方可以通过后续的数据包来推测丢失的数据。

快速传输

  由于 UDP 不提供复杂的控制机制，如确认和重传，因此它的传输速度通常比 TCP 快。在一些对延迟敏感的应用中，如在线游戏和实时音频通信，快速传输是至关重要的。

轻量级

  UDP 的头部只有 8 个字节，包含源端口号、目的端口号、长度和校验和。相比之下，TCP 头部至少需要 20 个字节，还包括序列号、确认号、窗口大小等复杂的控制信息。轻量级的头部使得 UDP 在网络传输中占用的带宽更少，提高了网络的效率。

面向报文

  UDP 是面向报文的协议，它不会对数据进行分片处理。发送方发送的数据和接收方接收的数据保持一致。这使得 UDP 适用于传输小数据包，但对于大数据包，可能需要应用程序自己进行分片处理。

三、UDP 的工作原理详解

（一）UDP 数据包的结构剖析

• 源端口号（16 位）：标识发送方的应用程序。

• 目的端口号（16 位）：标识接收方的应用程序。

• 长度（16 位）：表示 UDP 数据报的总长度，包括头部和数据部分。

• 校验和（16 位）：用于检测 UDP 数据包在传输过程中是否发生错误。校验和的计算包括 UDP 头部、数据和一个伪头部。伪头部包含源 IP 地址、目的 IP 地址、协议类型和 UDP 长度等信息。

（二）UDP 的通信流程

  发送方将数据封装成 UDP 数据包，并将其发送到网络中。发送方不需要知道接收方的状态，也不需要等待接收方的确认。
UDP 数据包在网络中通过 IP 协议进行路由和转发。IP 协议根据数据包的目的 IP 地址将其发送到相应的网络节点。
接收方接收到 UDP 数据包后，根据目的端口号将数据包传递给相应的应用程序。如果接收方的端口号与数据包中的目的端口号不匹配，接收方将丢弃该数据包。

（三）UDP 的错误处理机制

  由于 UDP 不保证数据包的可靠传输，因此应用程序需要自己处理数据丢失、乱序和错误的情况。一些常见的错误处理方法包括：

• 超时重传：发送方可以设置一个超时时间，如果在超时时间内没有收到接收方的确认，就重新发送数据包。

• 序列号：发送方可以为每个数据包分配一个序列号，接收方可以根据序列号对数据包进行排序，以确保数据的顺序。

• 校验和：发送方和接收方可以使用校验和来检测数据包是否发生错误。如果校验和错误，接收方可以丢弃该数据包。

四、UDP 的应用场景展示

（一）实时视频流和音频流

  在实时视频流和音频流应用中，对延迟非常敏感，而对数据的完整性要求相对较低。UDP 的快速传输和无连接特性使其成为这些应用的理想选择。即使偶尔出现数据丢失，接收方也可以通过后续的数据包来推测丢失的数据，从而保证视频和音频的流畅播放。

（二）在线游戏

  在线游戏需要实时的交互性，玩家的操作需要尽快传输到服务器，服务器的响应也需要尽快返回给玩家。UDP 的低延迟和无连接特性使其能够满足游戏的需求。此外，游戏中的数据通常可以容忍一定程度的丢失，因为玩家可以通过游戏的逻辑来推测丢失的数据。

（三）实时通信

  如 VoIP（Voice over Internet Protocol，网络电话）等实时通信应用也可以使用 UDP 来实现低延迟的通信。虽然 UDP 不保证数据的可靠性，但在实时通信中，偶尔的数据包丢失并不会对通话质量产生太大的影响。

（四）广播和多播

  UDP 支持广播和多播，可以将数据发送给多个接收方。这在一些网络应用中非常有用，如网络广播、视频会议等。通过广播和多播，发送方可以将数据同时发送给多个接收方，减少了网络带宽的占用。

五、Linux C++ 中 UDP 的实现步骤

（一）创建 UDP 套接字

  在 Linux C++ 中，可以使用socket()函数来创建 UDP 套接字。以下是创建 UDP 套接字的代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        std::cerr << "Error creating socket" << std::endl;
        return -1;
    }
    std::cout << "Socket created successfully" << std::endl;
    return 0;
}

（二）绑定 UDP 套接字

  创建 UDP 套接字后，需要将其绑定到一个特定的端口号上，以便接收来自其他主机的数据包。以下是绑定 UDP 套接字的代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        std::cerr << "Error creating socket" << std::endl;
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(8888);

    if (bind(sockfd, reinterpret_cast<struct sockaddr*>(&servaddr), sizeof(servaddr)) < 0) {
        std::cerr << "Error binding socket" << std::endl;
        return -1;
    }

    std::cout << "Socket bound successfully" << std::endl;
    return 0;
}

（三）发送和接收 UDP 数据包

  在绑定 UDP 套接字后，可以使用sendto()和recvfrom()函数来发送和接收 UDP 数据包。以下是发送和接收 UDP 数据包的代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        std::cerr << "Error creating socket" << std::endl;
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(8888);

    if (bind(sockfd, reinterpret_cast<struct sockaddr*>(&servaddr), sizeof(servaddr)) < 0) {
        std::cerr << "Error binding socket" << std::endl;
        return -1;
    }

    char buffer[1024];
    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    while (true) {
        ssize_t n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, reinterpret_cast<struct sockaddr*>(&cliaddr), &len);
        if (n < 0) {
            std::cerr << "Error receiving data" << std::endl;
            continue;
        }
        buffer[n] = '\0';
        std::cout << "Received data: " << buffer << std::endl;

        const char* response = "Hello from server";
        sendto(sockfd, response, strlen(response), 0, reinterpret_cast<struct sockaddr*>(&cliaddr), len);
    }

    return 0;
}

（四）处理 UDP 数据包的顺序、完整性和重传机制

  由于 UDP 不保证数据包的顺序、完整性或可靠性，开发者需要自己处理这些问题。以下是一些处理方法：

• 数据包顺序：可以为每个数据包分配一个序号，接收方根据序号对数据包进行排序。

• 数据包完整性：可以使用校验和或其他错误检测方法来检测数据包是否完整。

• 重传机制：可以设置超时时间，如果在超时时间内没有收到对方的确认，可以重新发送数据包。

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总结

  UDP 协议以其无连接、快速传输、轻量级和面向报文等特性，在实时视频流、在线游戏、实时通信和广播多播等应用场景中发挥着重要的作用。在 Linux C++ 中，通过使用socket()、bind()、sendto()和recvfrom()等函数，可以轻松地实现 UDP 通信。然而，由于 UDP 不保证数据包的顺序、完整性或可靠性，开发者需要自己处理这些问题，以确保应用程序的正确性和稳定性。

  文章如有错误，欢迎指正，十分感谢！