【网络编程】UDP协议 和 Socket编程

1. UDP的特点

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是互联网协议套件中的一种传输层协议，与广泛使用的TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）相比，它是一种无连接、不可靠的协议。UDP 被用于对传输速度要求较高、但对可靠性要求较低的场景。

2. UDP与TCP的区别

UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议）都是传输层协议，负责在网络中传输数据，但它们的设计目标和实现方式有很大的区别。

以下是UDP和TCP的主要区别：

3. UDP的包头格式

下面是各个字段的解释：

3.1. UDP伪首部（Pseudo Header）：

伪首部是用于计算校验和的虚拟头部信息，它不包含在实际传输的数据中，但用于保证数据完整性。伪首部包含如下字段：

• 32位源IP地址：表示数据包的源IP地址，即发送方的IP地址。
• 32位目的IP地址：表示数据包的目的IP地址，即接收方的IP地址。
• 0：固定填充的8位0字段，不使用。
• 8位协议（17）：标识传输协议类型，对于UDP协议来说，这个字段的值是 17。
• 16位UDP长度：表示整个UDP数据报的长度，包括UDP首部和数据部分。

3.2. UDP首部：

UDP首部是真正的数据报头部，它包含了与UDP通信相关的基本信息。UDP首部固定为8字节，包含以下字段：

• 16位源端口号：发送方的端口号，标识发送数据的应用程序。如果不需要，值可以为 0。
• 16位目的端口号：接收方的端口号，表示接收数据的应用程序。
• 16位UDP长度：表示UDP报文的总长度（包括UDP首部和数据部分）。由于UDP首部固定为8字节，因此长度至少为8。
• 16位UDP校验和：用于确保UDP数据报在传输过程中没有被损坏。它由UDP伪首部、UDP首部和数据部分计算而得。如果发送方不计算校验和，则该字段可以为 0。

3.3. 数据部分：

UDP数据报的实际数据内容。数据部分的长度可以根据具体的应用需求而变化，但必须与首部中的UDP长度字段保持一致。

3.4. 填充字节（0）：

数据包需要按一定的字节对齐规则（如32位对齐）填充到合适的长度，以确保数据包的完整性和便于传输

3.5. 重点：

• UDP伪首部并不实际存在于UDP报文中，它仅在计算校验和时使用，用于提供更多的上下文（如IP地址）来验证数据的完整性。
• UDP首部非常简单，仅有8字节，保证了UDP的轻量和高效。
• UDP数据：携带的实际传输数据，长度可以根据应用而变化。

这个图展示了UDP协议的简单性和高效性，因为UDP协议不需要复杂的连接管理或传输控制机制。

4. UDP Socket编程流程

4.1. UDP客户端流程：

• socket()：创建一个UDP套接字（Socket）。这是启动UDP通信的第一步，客户端通过调用socket()函数生成一个用于通信的套接字。
• sendto()：向服务器发送数据。客户端使用sendto()函数来将数据报发送到指定的服务器IP地址和端口。这是一个无连接的操作，不需要事先建立连接。
• 等待响应：客户端调用recvfrom()函数，进入阻塞状态，等待从服务器返回的数据。recvfrom()会接收来自服务器的数据报，函数会在接收到数据后解除阻塞。
• recvfrom()：接收到服务器返回的数据后，继续处理该数据。
• close()：通信完成后，关闭客户端套接字，释放系统资源。

4.1. UDP客户端流程：

• socket()：创建一个UDP套接字（Socket）。这是启动UDP通信的第一步，客户端通过调用socket()函数生成一个用于通信的套接字。
• sendto()：向服务器发送数据。客户端使用sendto()函数来将数据报发送到指定的服务器IP地址和端口。这是一个无连接的操作，不需要事先建立连接。
• 等待响应：客户端调用recvfrom()函数，进入阻塞状态，等待从服务器返回的数据。recvfrom()会接收来自服务器的数据报，函数会在接收到数据后解除阻塞。
• recvfrom()：接收到服务器返回的数据后，继续处理该数据。
• close()：通信完成后，关闭客户端套接字，释放系统资源。

4.2. UDP服务器流程：

• socket()：与客户端一样，服务器首先创建一个UDP套接字，通过调用socket()函数。
• bind()：将套接字与指定的IP地址和端口绑定。服务器必须绑定到一个特定的端口上，这样才能接收来自客户端的数据。bind()是服务器端特有的操作，客户端通常不需要显式调用bind()。
• recvfrom()：服务器使用recvfrom()接收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到接收到数据为止。
• 处理请求：收到数据后，服务器可以处理这个请求。例如，解析数据、执行相关操作。
• sendto()：处理完成后，服务器通过sendto()向客户端发送响应数据。
• 继续等待：服务器可以继续调用recvfrom()来接收下一个数据请求。

4.3. 图中的其他元素：

• 阻塞直到收到数据：无论是客户端还是服务器，调用recvfrom()后，程序会进入阻塞状态，等待对方发送数据。这是UDP通信中的常见模式。
• 数据请求和数据响应：图中显示了客户端向服务器发送请求数据，服务器处理后返回响应数据的流程。

4.4. UDP通信的特点：

• 无连接：UDP协议是无连接的，客户端不需要先与服务器建立连接，直接发送数据。服务器收到数据后可以立即处理。
• 阻塞模式：图中显示的recvfrom()操作是阻塞的，直到有数据到来才会继续执行。
• 简单轻量：由于UDP不需要维护连接状态，它比TCP更加简单和轻量，适用于对实时性要求高但对数据可靠性要求较低的场景。

5. UDP代码实现

下面是一个使用C++实现UDP通信的简单示例，包括UDP服务器和客户端。

通过Socket编程，服务器接收客户端发送的消息，并作出回应。

5.1. UDP服务器代码：

#include <iostream>
#include <cstring>   // for memset
#include <sys/socket.h>  // for socket functions
#include <arpa/inet.h>   // for sockaddr_in and inet_ntoa
#include <unistd.h>      // for close#define PORT 8081
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd;char buffer[BUFFER_SIZE];struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);// 创建UDP Socketsockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置服务器地址memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;  // IPv4server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到本地所有IP地址server_addr.sin_port = htons(PORT);  // 指定端口号// 绑定Socket到地址if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("Bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}std::cout << "UDP server is listening on port " << PORT << std::endl;while (true) {// 接收消息int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);buffer[n] = '\0';  // 将接收到的数据转换为字符串格式std::cout << "Client: " << buffer << std::endl;// 响应消息const char *response = "Message received";sendto(sockfd, response, strlen(response), 0, (const struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);}close(sockfd);return 0;
}

5.2. UDP客户端代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>     // 使用strerror
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>    // 使用close()#define PORT 8081                      // 定义端口号
#define BUFFER_SIZE 1024               // 定义缓冲区大小
#define IP "110.41.83.50"              // 定义服务器IP地址int main() {int sockfd;char buffer[BUFFER_SIZE];struct sockaddr_in server_addr;// 创建UDP Socketsockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {std::cerr << "Socket creation failed: " << strerror(errno) << std::endl;return 1;}// 配置服务器地址memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 使用inet_pton将IP地址从字符串转换为网络字节顺序if (inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;close(sockfd);return 1;}while (true) {// 发送消息到服务器std::string message;std::cout << "Enter message: ";std::getline(std::cin, message);// 发送消息int send_result = sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));if (send_result < 0) {std::cerr << "sendto failed: " << strerror(errno) << std::endl;break;}// 接收服务器的响应socklen_t addr_len = sizeof(server_addr);  // 地址长度参数int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, &addr_len);if (n < 0) {std::cerr << "recvfrom failed: " << strerror(errno) << std::endl;break;}buffer[n] = '\0';  // 添加字符串结束符std::cout << "Server: " << buffer << std::endl;  // 输出服务器响应}// 关闭Socketclose(sockfd);return 0;
}

5.3. Windows客户端版本：

1. 头文件和库的引入：

   • 在Windows中需要引入winsock2.h和ws2tcpip.h，并且需要链接Ws2_32.lib库。

2. Winsock初始化和清理：

   • 在Windows中，使用网络功能之前需要调用WSAStartup()进行初始化，使用完毕后需要调用WSACleanup()释放资源。

3. Windows和Linux之间的一些函数差异：

   • close()在Windows上对应的是closesocket()。
   • perror()函数在Windows上不常用，通常使用std::cerr输出错误。

5.3.1. Windows版本的UDP客户端代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")  // 链接Ws2_32.lib库#define PORT 8081                      // 定义端口号
#define BUFFER_SIZE 1024               // 定义缓冲区大小
#define IP "110.41.83.50"              // 定义服务器IP地址，注意需要加上双引号int main() {WSADATA wsaData;SOCKET sockfd;char buffer[BUFFER_SIZE];struct sockaddr_in server_addr;// 初始化Winsockif (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed." << std::endl;return 1;}// 创建UDP Socketsockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "Socket creation failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;WSACleanup();return 1;}// 配置服务器地址memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 使用inet_pton将IP地址从字符串转换为网络字节顺序if (inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;closesocket(sockfd);WSACleanup();return 1;}while (true) {// 发送消息到服务器std::string message;std::cout << "Enter message: ";std::getline(std::cin, message);// 发送消息int send_result = sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));if (send_result == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "sendto failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;break;}// 接收服务器的响应int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, nullptr, nullptr);if (n == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "recvfrom failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;break;}buffer[n] = '\0';  // 添加字符串结束符std::cout << "Server: " << buffer << std::endl;  // 输出服务器响应}// 关闭Socketclosesocket(sockfd);// 清理WinsockWSACleanup();return 0;
}

5.3.2. 主要修改点说明：

1. WSAStartup()和WSACleanup()：这些函数分别在程序开始时初始化Winsock库，结束时清理它。
2. socket()：创建Socket时，错误返回值为INVALID_SOCKET，而不是Linux中的-1。
3. closesocket()：在Windows中，用closesocket()代替Linux中的close()函数来关闭套接字。
4. WSAGetLastError()：用于获取最近的套接字操作错误码。

5.4. 函数细节说明

5.4.1. 关于recvfrom函数

recvfrom函数是套接字编程中用于从套接字接收数据的一个函数，特别用于UDP协议下的数据接收。它允许程序从一个未连接的套接字（如UDP套接字）接收数据报。下面是对recvfrom函数及其参数int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, nullptr, nullptr);的详细解释：

函数原型

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,  struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数解释

1. sockfd: 套接字描述符，指定了接收数据的套接字。这个套接字通常是通过socket函数创建的，并且绑定到了一个特定的端口（对于UDP来说）。
2. buf: 指向数据缓冲区的指针，这个缓冲区用于存储接收到的数据。接收到的数据会被复制到这个缓冲区中。
3. len: 指定了buf缓冲区的长度，即可以接收的最大数据量（以字节为单位）。
4. flags: 标志位，用于修改recvfrom的行为。常用的标志包括MSG_PEEK（查看数据但不从队列中移除）、MSG_WAITALL（请求阻塞操作直到接收到完整的请求数据，但这对于UDP来说通常不适用，因为UDP是无连接的、数据报驱动的协议）等。在这个例子中，flags被设置为0，表示使用默认行为。
5. src_addr: 指向sockaddr结构体的指针，用于存储发送方的地址信息。如果不需要这个信息，可以传递nullptr。在这个例子中，src_addr被设置为nullptr，表示不关心发送方的地址。
6. addrlen: 指向socklen_t变量的指针，该变量在调用前应该被初始化为src_addr所指向的地址结构的大小。在函数调用后，这个变量会被更新为实际存储在src_addr中的地址结构的大小。如果src_addr是nullptr，则addrlen也应该是nullptr。在这个例子中，addrlen被设置为nullptr。

返回值

recvfrom函数返回成功接收到的字节数。如果返回0，表示连接已正常关闭（但这对UDP来说并不常见，因为UDP是无连接的）。如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查。

示例解释

在给出的代码示例中：

int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, nullptr, nullptr);

• sockfd是一个有效的UDP套接字描述符。
• buffer是一个足够大的缓冲区，用于存储接收到的数据。
• BUFFER_SIZE是buffer的大小，即可以接收的最大数据量。
• flags设置为0，表示使用默认行为。
• src_addr和addrlen都设置为nullptr，表示不关心发送方的地址信息。

n会被赋值为实际接收到的字节数，或者-1表示出错。

5.4.2. 关于sendto函数

sendto函数是套接字编程中用于发送数据的一个函数，特别适用于UDP协议下的数据发送。它允许程序向指定的地址发送数据报。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数解释

1. sockfd: 套接字描述符，指定了发送数据的套接字。这个套接字通常是通过socket函数创建的，对于UDP来说，它可能还没有通过connect函数与特定的远程地址关联。
2. buf: 指向数据缓冲区的指针，这个缓冲区包含了要发送的数据。
3. len: 指定了buf缓冲区的长度，即要发送的数据量（以字节为单位）。在这个例子中，通过strlen(response)来获取response字符串的长度。
4. flags: 标志位，用于修改sendto的行为。常用的标志包括MSG_CONFIRM（请求确认消息已发送）、MSG_DONTROUTE（绕过路由表直接发送）等。在这个例子中，flags被设置为0，表示使用默认行为。
5. dest_addr: 指向sockaddr结构体的指针，用于指定接收方的地址信息。这个结构体包含了目标主机的IP地址和端口号。
6. addrlen: 指定了dest_addr所指向的地址结构的大小。这个值通常是通过sizeof操作符获取的。

返回值

sendto函数返回成功发送的字节数。如果返回-1，表示发生了错误，错误类型可以通过errno来检查

示例解释

在给出的代码示例中：

const char *response = "Message received";  
sendto(sockfd, response, strlen(response), 0, (const struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);

• response是一个指向常量字符串的指针，包含了要发送的消息。
• sockfd是一个有效的UDP套接字描述符。
• strlen(response)计算了response字符串的长度，即要发送的数据量。
• flags设置为0，表示使用默认行为。
• (const struct sockaddr *)&client_addr是一个指向sockaddr结构体的指针，该结构体包含了接收方的地址信息。这里假设client_addr已经被正确初始化，并且包含了目标主机的IP地址和端口号。
• addr_len是client_addr结构体的大小，通常是通过sizeof(client_addr)获取的。

当sendto函数被调用时，它会尝试将response字符串发送到由client_addr指定的地址。如果发送成功，它会返回发送的字节数；如果失败，它会返回-1并设置errno来指示错误类型。

5.4.3. <ws2tcpip.h>

<ws2tcpip.h> 是 Windows 的附加头文件，扩展了 Winsock2 的功能，提供了一些与现代网络协议相关的功能和 API。主要包括支持 IPv6 和通用的地址解析功能。

主要功能：

1. 支持 IPv6：

• 提供了与 IPv6 相关的常量、数据结构和函数，例如：

• sockaddr_in6：用于表示 IPv6 地址的结构体

• inet_pton() 和 inet_ntop()：分别用于将字符串转换为二进制 IP 地址和将二进制 IP 地址转换为字符串（支持 IPv4 和 IPv6）

2. 地址解析和管理：

• 提供了现代的地址解析和主机名解析功能：

• getaddrinfo()：根据主机名、服务名获取地址信息，支持 IPv4 和 IPv6 的通用 API

• freeaddrinfo()：释放通过 getaddrinfo() 分配的内存

• getnameinfo()：将地址转换为主机名或服务名

3. 端口和地址转换函数：

• 提供了 IP 地址和端口号的转换函数，例如：

• inet_pton()：将点分十进制的 IPv4 或 IPv6 地址转换为网络字节序的二进制形式

• inet_ntop()：将二进制的 IP 地址转换为字符串形式

5.4.4. WSADATA 结构体

WSADATA 是 Windows Sockets API（Winsock）中的一个结构体，包含有关 Windows Sockets 的实现版本和系统的配置信息。在调用 WSAStartup() 函数时，应用程序必须传递该结构体的指针，以便 Winsock 初始化并返回相关信息。

WSADATA 结构体定义在 <winsock2.h> 头文件中，具体如下：

typedef struct WSAData {WORD wVersion;          // Winsock实现的版本号WORD wHighVersion;      // 支持的最高版本号char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN + 1];  // 描述Winsock的文本字符串char szSystemStatus[WSASYSSTATUS_LEN + 1];   // 当前的状态或配置unsigned short iMaxSockets;                  // 系统允许的最大套接字数unsigned short iMaxUdpDg;                    // 支持的最大UDP数据报大小char* lpVendorInfo;                          // 供应商特定的信息
} WSADATA, *LPWSADATA;

5.4.5. 关于memset

memset 是一个 C/C++ 标准库函数，用于将一块内存区域的内容设置为指定的值。它通常用于初始化数组或结构体，以确保在使用这些数据之前内存中的内容是已知的。memset 函数定义在 <cstring>（C++）或 <string.h>（C）头文件中。

void* memset(void* ptr, int value, size_t num);

参数说明

• ptr：指向要设置的内存块的指针。
• value：要设置的值。这个值会被转换为 unsigned char 类型，并且将其填充到内存块中。
• num：要设置的字节数。

6. UPD的挑战