QT网络编程（三）——UDP协议工作原理及实战

在网络编程中，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种轻量级、不可靠、面向数据报的、无连接的传输层协议。由于其简单、高效的特性，UDP常被用于对实时性要求高且可以容忍少量数据丢失的应用场景，如直播、视频会议、在线游戏等。在Qt框架中，通过QUdpSocket类可以方便地实现UDP通信。本文将介绍UDP协议的工作原理，并在Qt环境下进行UDP通信的实战演示。

一、UDP协议工作原理

1. 协议特点

无连接：UDP在发送数据之前不需要建立连接，因此避免了建立和维护连接所需的额外开销，从而提高了传输效率。
不可靠：UDP不保证数据的可靠传输，不提供序号、确认、重传等机制来确保数据包的顺序和完整性。因此，UDP可能会出现数据包的丢失、乱序或重复。
面向数据报：UDP以数据报（Datagram）为单位进行传输，每个数据报都被视为一个独立的单元，从发送方到接收方进行传输。每个数据报都有固定的最大长度（通常为64KB，包含首部）。

2. 数据包结构

UDP数据包主要包含以下几个部分：

源端口号（Source Port）：16位字段，用于标识发送方的应用程序所使用的端口号。
目的端口号（Destination Port）：16位字段，用于标识接收方的应用程序所使用的端口号。
长度（Length）：16位字段，指示UDP数据报的总长度，包括UDP头部和数据部分。
校验和（Checksum）：16位字段，用于检测数据报的完整性，以确保数据在传输过程中没有被损坏。
数据（Data）：可变长度部分，包含了应用程序要传输的实际数据。

3. 传输过程

发送端：UDP抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地将其发送到网络上。数据被分割成小的数据包，每个数据包都包含源端口号和目标端口号等信息。
网络传输：数据包在网络上传输，可能会被路由到不同的路径，因此可能会出现数据包的丢失、乱序或重复。
接收端：UDP将接收到的消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读取一个消息段进行处理。由于UDP不保证数据的可靠传输，接收方需要自行处理可能的数据丢失或乱序问题。

二、QUdpSocket类介绍

QUdpSocket类是Qt框架中用于实现UDP通信的类，它从QAbstractSocket继承而来，因此共享了大部分接口函数。在使用之前需要在项目的.pro文件中引入网络模块：QT += network

以下是QUdpSocket类的一些核心成员函数介绍：

1. 构造函数和析构函数

QUdpSocket(QObject *parent = nullptr)：构造函数，用于创建一个新的QUdpSocket对象。可以指定一个父对象，如果不指定，则默认为nullptr。
~QUdpSocket()：析构函数，用于销毁QUdpSocket对象。在对象销毁时，会自动关闭套接字并释放相关资源。

2. 绑定端口

bool bind(const QHostAddress &address = QHostAddress::Any, quint16 port = 0, BindMode mode = DefaultForPlatform)：将QUdpSocket绑定到指定的地址和端口上。如果绑定成功，返回true；否则返回false。默认情况下，地址设置为QHostAddress::Any（监听所有地址），端口号设置为0（系统会自动选择一个可用端口）。

3. 发送数据报

qint64 writeDatagram(const QByteArray &datagram, const QHostAddress &host, quint16 port)：向指定的主机和端口发送数据报。参数datagram是要发送的数据（QByteArray类型），host是目标主机的地址，port是目标主机的端口号。函数返回成功发送的字节数，如果发送失败则返回-1。