UDP传输协议Linux C语言实战

摘要：这篇文章是对UDP传输协议的讲解，包括基础知识、主要函数，最后通过在linux上用C语言建立客户端和服务端实例对UDP的认识更加深刻。
关键词：UDP、sendto、recvfrom。

1.UDP简介

1.UDP（User Datagram protocol）传输协议是TCP/IP网络协议下，传输层的一中面向报文传输方式。

1.1特点

1.无连接特性：传输时不用建立连接，服务端也不用做出响应。
2. 不可靠传输：没有TCP那样复杂，发送端只管发送数据，不会管接收端的感受，真是个无情的man。
3. 快速传输：由于 UDP 没有连接建立和可靠传输机制带来的开销，它可以非常快速地发送数据。
4.面向数据报：应用层发送多少，UDP传输层就给网络层发送多少数据。

1.2 UDP协议头部格式

1.2.1 UDP头部：

UDP头部没有TCP头部那么复杂，只占了8个字节，而TCP头部最小20各字节，根据可选项参数还能扩展到60个字节，TCP头部长度标识只占4位，但是TCP头部的每一个值表示4字节数目，所以最大长度2^4*4=60。

1.2.2 头部意义：

UDP头部和TCP头部表示的意思不同，UDP头部是整个数据报的长度，因为UDP头部固定8个字节，所以不用标识多长。
更多TCP信息请查看：
TCP三次握手，四次挥手，通俗易懂！！！
Linux C语言TCP协议实战

1.2.3 头部参数：

源端口号：这个可有可无，数据报是无连接的，只需给数据报指定发送方就行了（sendto函数后面会介绍）。由于不需要消耗额外的资源消耗在连接、同步、拥塞控制、流量控制等等机制上，这也是UDP传输快速的原因。
目的端口号：数据报的的接收端必须指定，网络层和链路层通过路由、链路等方法，将数据迅速的发送到指定端口。
UDP长度：指定了数据报的长度，UDP头部固定长度无需指定。
校验和：确认数据是否错误。

1.3 UDP数据长度控制

下面这两张图的意思是设置了IP_MTU_DESCOVER套接字选项，发送数据端会追踪目标IP的最大传输单元（MTU）的大小，而不是SOCK_STREAM数据形式的（也就是不是TCP协议）传输协议会默认使用MTU追踪，默认选项可以在/proc/sys/net/ipv4/ip_no_pmtu_disc文件下设置，从最后一张图中默认为0，默认使用IP_PMTUDISC_WANT选项，这个选项会根据追踪到的目的端MTU的大小来控制数据报的尺寸，关闭这个选项数据超过MTU（加协议头部）UDP会进行数据分片，但是不建议关闭，这样会影响到UDP数据的发送速度，这些是IP层的知识，不多讲，我也懂的不多。

1.4 UDP协议建立框架

UDP协议没有一对一建立连接，只需要确定服务器的IP和端口就可以了，所以不用多线程和和多进程进行处理。

2. 函数介绍

2.1 sendto函数

向指定端口发送数据，在函数中，出现sockaddr结构体，发送端可以不用绑定端口，直接发送数据。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr*dest_addr, socklen_t addrlen);
/*
sockfd: socket函数返回的文件描述符
buf:  数据
len: 数据长度
flags: 可选参数一般填0，更多选项可在man sendto中查看
dest_addr:  网络通用结构体
addrlen:  结构体长度
*/

2.2 recvform函数

阻塞等待接收数据，接收端可以不用绑定端口直接接收数据。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
sockfd: socket函数返回的文件描述符
buf:  数据
len: 数据长度
flags: 可选参数一般填0，更多选项可在man sendto中查看
src_addr:  网络通用结构体
addrlen:结构体长度

2.3 其他函数

关于端口和IP地址的主机字节序和网络字节序可以在这篇文章查找：TCP/IP传输协议，易懂！！！
实战代码中用到的其他网络相关函数可以在这篇文章中查找：Linux C语言TCP协议实战

3.实例

3.1 通用结构体、IPV4结构体、IPV6结构体

struct sockaddr {unsigned short sa_family;  // 地址族，用于指定地址类型，例如 AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）等char sa_data[14];          // 地址数据，具体格式和长度取决于地址族的不同
};IPV6结构体
struct sockaddr_in6 {sa_family_t sin6_family;   /* 地址族，这里是 AF_INET6，表示 IPv6 地址 */in_port_t sin6_port;       /* 端口号，使用网络字节序 */uint32_t sin6_flowinfo;    /* IPv6 流信息 */struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6 地址 */uint32_t sin6_scope_id;    /* IPv6 范围 ID */
};
IPV4结构体
struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family;   // 地址族（address family），通常是 AF_INET，表示使用 IPv4 地址in_port_t sin_port;       // 16 位的端口号，需要使用 `htons()` 函数转换为网络字节序struct in_addr sin_addr;  // 存储 IPv4 地址的结构体char sin_zero[8];         // 填充字节，为保持与 `struct sockaddr` 一致，一般设置为 0
};struct in_addr{uint32_t s_addr;}

3.2 框架搭建

3.2.1 client

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/types.h>    //POSIX.1不需要包含，一些旧版本(BSD)需要包含
#include <sys/socket.h>    
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <string.h>
#include <strings.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd;//初始化网络结构体struct sockaddr_in XXX; ......//1.创建套接字socket()...//客户端绑定端口，客户端在sendto发送数据的时候，操作系统会随机配置一个端口给客户端，bind一般不用#if COND_COMPILLE  ...bind()	...#endifwhile(1){//2.通信...sendto()   //发送数据...recvfrom()   //阻塞接收...}//3.关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

3.2.2 server

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd; //初始化网络结构体struct sockaddr_in XXX;......//1.创建套接字socket()...//2.绑定端口，用于接收数据bind()...char readBuf[BUF_SIZE] = {0};while(1){//3.数据处理...recvfrom()   //阻塞接收数据...sendto()     //做出响应...}//4.关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

3.3 服务端和客户端编写

3.3.1 client_udp.c

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <string.h>
#include <strings.h>#define BUF_SIZE 256
#define COND_COMPILE 0	
#define QUIT_FLAG "quit"int main(int argc, char const *argv[])
{if(argc !=3 ){printf("input para is incorrent\n");exit(1);}//1.创建套接字int sockfd;//初始化网络结构体struct sockaddr_in serveraddr; socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);bzero(&serveraddr, addrlen);serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0){perror("fail to socket");exit(1);}
//客户端绑定端口，一般不用#if COND_COMPILLE  struct sockaddr_in clientaddr;clientaddr.sin_family = AF_INET;clientaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]); clientaddr.sin_port = htons(atoi(argv[4])); if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, addrlen) < 0){perror("fail to bind");exit(1);}#endifchar readBuf[BUF_SIZE] = {0};char writeBuf[BUF_SIZE] = {0};while(1){//3.通信fgets(writeBuf, BUF_SIZE-1, stdin);size_t len = strlen(writeBuf);writeBuf[len-1] = '\0';if(sendto(sockfd, writeBuf, (len-1), 0, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr))==-1){perror("sendto");exit(1);}printf("send complete\n");if(!strncasecmp(writeBuf, QUIT_FLAG, strlen(QUIT_FLAG))){printf("the client exit\n");break;}if(recvfrom(sockfd, readBuf, BUF_SIZE, 0,(struct sockaddr*)&serveraddr, &addrlen)==-1){perror("recvfrom");exit(1);}printf("%s\n",readBuf);bzero(readBuf, BUF_SIZE);bzero(writeBuf, BUF_SIZE);}//关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

3.3.2 sever_udp.c

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <string.h>#define HOST_PORT 5001
#define BUF_SIZE 256
#define QUIT_FLAG "QUIT"
#define RESP ",RESP"
int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd; //初始化网络结构体struct sockaddr_in serveraddr,cin;socklen_t addrlen = sizeof(cin);bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;serveraddr.sin_port = htons(HOST_PORT);//1.创建套接字if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0){perror("fail to socket");exit(1);}//2.绑定端口，用于接收数据if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) < 0){perror("fail to bind");exit(1);}char readBuf[BUF_SIZE] = {0};while(1){//3.数据处理if(recvfrom(sockfd, readBuf, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&cin, &addrlen)==-1){perror("recvform");exit(0);}printf("the client port: %d, IP: %s\n", ntohs(cin.sin_port), inet_ntoa(cin.sin_addr));printf("readBuf: %s\n", readBuf);if(!strncasecmp(readBuf, QUIT_FLAG, strlen(QUIT_FLAG))){printf("the client exit\n");break;}strncat(readBuf, RESP, strlen(RESP));if(sendto(sockfd, readBuf, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&cin, addrlen)==-1){perror("sendto");exit(1);}printf("send complete\n");}close(sockfd);return 0;
}

3.3.3 终端结果

4.总结

这篇文章着重在UDP实操上，概念上涉及的不是很多。
文章有错误请指出。