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UDP 套接字编程入门

概述

在使用TCP编写的应用程序和使用UDP编写的应用程序之间存在一些本质差异，其原因在于这两个传输层之间的差别：UDP是无连接不可靠的数据报协议，不同于TCP提供的面向连接的可靠字节流。从资源的角度来看，相对来说UDP套接字开销较小，因为不需要维持网络连接，而且因为无需花费时间来连接连接，所以UDP套接字的速度也较快。 因为UDP提供的是不可靠服务，所以数据可能会丢失。如果数据对于我们来说非常重要，就需要小心编写UDP客户程序，以检查错误并在必要时重传。实际上，UDP套接字在局域网中是非常可靠的。

UDP 客户 / 服务器程序使用的套接字函数 图：UDP 客户 / 服务器程序使用的套接字函数

上图展示了客户与服务器使用UDP套接字进行通信的过程。在UDP套接字程序中，客户不需要与服务器建立连接，而只管直接使用sendto函数给服务器发送数据报。同样的，服务器不需要接受来自客户的连接，而只管调用recvfrom函数，等待来自某个客户的数据到达。

如何编写UDP套接字程序

编写UDP套接字应用程序，涉及一定的步骤：

步骤1：创建套接字

可以使用系统调用socket来创建一个套接字并返回该套接字的文件描述符。

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

创建的套接字是一条通信线路的一个端点。

domain domain参数指定哪种协议族，常见的协议族包括 AF_UNIX 和 AF_INET。AF_UNIX 用于通过文件系统实现的本地套接字，AF_INET 用于网络套接字。

type type参数指定这个套接字的通信类型，取值包括 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。 SOCK_STREAM 即流套接字，基于 TCP，提供可靠，有序的服务。 SOCK_DGRAM 即数据报套接字，基于 UDP，提供不可靠，无序的服务。SOCK_DGRAM 类型的套接字为本文讲述的重点。

protocol protocol允许为套接字指定一种协议。对于 AF_UNIX 和 AF_INET，我们使用默认值即可。

以下代码创建一个 UDP socket，domain使用 AF_INET，type 使用 SOCK_DGRAM，protocol 协议使用默认的 0 值。

#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (fd < 0) {
        perror("cannot create socket");
        return 0;
    }

    printf("created socket, fd: %d\n", fd);
    exit(0);
}

步骤2：命名套接字

要想让创建的套接字可以被其他进程使用，那必须给该套接字命名。对套接字命名的意思是指将该套接字关联一个IP地址和端口号，可以使用系统调用bind来实现。

#include <sys/socket.h>
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

bind系统调用把参数address中的地址分配给与文件描述符socket关联的套接字，地址结构的长度由参数address_len传递。

每种套接字域都有其自己的格式，对于 AF_INET 域来说，套接字地址由结构 socket_in来指定，它至少包含以下几个成员：

struct sockaddr_in {
    short int sin_family;  // AF_INET
    unsigned short int sin_port; // 端口号
    struct in_addr  sin_addr;  // IP地址
};

成员sin_port表示套接字的端口号。对于客户套接字，我们一般不需要指定套接字的端口号，而对于服务器套接字，我们需要指定套接字的端口号以便让客户正确向服务器发送数据。如果不需要指定端口号，可以将sin_port的值赋为0。

成员sin_addr表示套接字的地址，即机器的IP地址。如果我们没特别为套接字绑定IP地址，可以让操作系统选择一个，即sin_addr使用地址0.0.0.0，使用INADDR_ANY来表示这个地址常量。

对一个套接字进行命名的代码如下：

#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    // 创建套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (fd < 0) {
        perror("cannot create socket");
        return 0;
    }

    printf("created socket, fd: %d\n", fd);

    // 命名套接字
    struct sockaddr_in myaddr;
    memset((void *)&myaddr, 0, sizeof(myaddr));
    myaddr.sin_family = AF_INET;
    myaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    myaddr.sin_port = htons(6240);
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        return 0;
    }
    printf("bind complete, port number: %d\n", ntohs(myaddr.sin_port));

    exit(0);
}

htonl（host to network, long，长整数从主机字节序到网络字节序的转换）htons（host to network, short，短整数从主机字节序到网络字节序的转换）这两个函数用于字机字节序和网络字节序的转换。

步骤三a：服务器接收客户消息

不同于TCP提供的面向连接的可靠字节流协议，UDP 是无连接不可靠的数据报协议。服务器不接收来自客户的连接，而只管调用recvfrom系统调用，等待客户的数据到达。recvfrom的声明如下：

#include <sys/socket.h>
int recvfrom(int socket, void *buffer, size_t length, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *src_len);

recvfrom的参数说明如下。

recvfrom的返回值为读入数据的长度。

我们来看下服务器是如何使用recvfrom来接收客户的数据。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFSIZE 2048
#define SERVICE_PORT 6240

int main(int argc, char **argv)
{
    struct sockaddr_in myaddr;  // 服务器地址
    struct sockaddr_in remaddr; // 客户地址
    socklen_t addrlen = sizeof(remaddr);
    int recvlen;
    int fd;
    unsigned char buf[BUFSIZE];

    // 创建套接字
    if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("cannot create socket\n");
        return 0;
    }

    // 命名套接字
    memset((char *)&myaddr, 0, sizeof(myaddr));
    myaddr.sin_family = AF_INET;
    myaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    myaddr.sin_port = htons(SERVICE_PORT);
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        return 0;
    }

    // 服务器接收客户消息
    while (1) {
        printf("waiting on port %d\n", SERVICE_PORT);
        recvlen = recvfrom(fd, buf, BUFSIZE, 0, (struct sockaddr *)&remaddr, &addrlen);
        printf("received %d bytes\n", recvlen);
        if (recvlen > 0) {
            buf[recvlen] = 0;
            printf("received message: \"%s\"\n", buf);
        }
    }
}

服务器在循环里面不断调用recvfrom函数，接收客户的数据，并输出接收到的客户数据的长度和具体内容。

步骤三b：客户向服务器发达消息

UDP是无连接的，故客户可以直接向服务器发送消息而不需要建立连接。客户使用sendto系统调用向服务器发送消息：

#include <sys/socket.h>
int sendto(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t dest_len);

sendto函数的参数说明如下：

以下代码演示客户如何使用UDP套接字向服务器发送消息：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUFLEN 2048
#define MSGS 5
#define SERVICE_PORT 6240

int main(void)
{
    struct sockaddr_in myaddr, remaddr;
    int fd, i, slen = sizeof(remaddr);
    const char *server = "127.0.0.1";  // 服务器IP
    char buf[BUFLEN];

    // 创建套接字
    if ((fd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0))==-1)
        printf("socket created\n");

    // 命名套接字
    memset((char *)&myaddr, 0, sizeof(myaddr));
    myaddr.sin_family = AF_INET;
    myaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    myaddr.sin_port = htons(0);  // 无须指定特定的端口
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(myaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        return 0;
    }

    // 构造服务器的地址
    memset((char *) &remaddr, 0, sizeof(remaddr));
    remaddr.sin_family = AF_INET;
    remaddr.sin_port = htons(SERVICE_PORT);
    if (inet_aton(server, &remaddr.sin_addr)==0) {
        fprintf(stderr, "inet_aton() failed\n");
        exit(1);
    }

    // 客户向服务器发送消息
    for (i=0; i < MSGS; i++) {
        printf("Sending packet %d to %s port %d\n", i, server, SERVICE_PORT);
        sprintf(buf, "This is packet %d", i);
        if (sendto(fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&remaddr, slen)==-1)
            perror("sendto");
    }

    // 关闭套接字
    close(fd);
    return 0;
}

上面代码中，为方便起见，我们使用了inet_aton来构造服务器的套接字地址，inet_aton的作用是将一个字符串IP地址转换为一个32位的网络字节序的IP地址。

执行客户程序，可以看到以下输出：

$ ./send Sending packet 0 to 127.0.0.1 port 6240 Sending packet 1 to 127.0.0.1 port 6240 Sending packet 2 to 127.0.0.1 port 6240 Sending packet 3 to 127.0.0.1 port 6240 Sending packet 4 to 127.0.0.1 port 6240

服务器程序则看到以下输出：

$ ./recv waiting on port 6240 received 16 bytes received message: “This is packet 0” waiting on port 6240 received 16 bytes received message: “This is packet 1” waiting on port 6240 received 16 bytes received message: “This is packet 2” waiting on port 6240 received 16 bytes received message: “This is packet 3” waiting on port 6240 received 16 bytes received message: “This is packet 4” waiting on port 6240

步骤四：关闭套接字

操作系统为每个套接字分配了一个文件描述符，为了让操作系统回收该文件描述符，可以使用 close 系统调用：

close(fd);

参考资料

  1. Linux程序设计（第4版），Neil Matthew等著，人民邮电出版社，2010年
  2. UNIX 网络编程卷1：套接字联网API（第三版）, W.Richard Stevens 等著
  3. https://www.cs.rutgers.edu/~pxk/417/notes/sockets/udp.html
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