【Linux】用C++实现UDP通信：详解socket编程流程

协议（Protocol）

协议 是计算机或通信系统中，不同实体（如设备、程序、服务等）之间进行交互和通信时，共同遵循的一套规则和标准。它定义了数据的格式、传输方式、错误处理、安全机制等，确保通信双方能够正确理解彼此的信息并完成协作。

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协议的核心要素

1. 语法（Syntax）

   • 数据的结构或格式，例如报文如何排列、字段的长度和顺序等。
   • 示例：HTTP请求中，请求行、头部、正文的排列方式。

2. 语义（Semantics）

   • 数据的含义及操作逻辑，解释字段代表的动作或内容。
   • 示例：HTTP状态码 200 表示请求成功，404 表示资源未找到。

3. 同步（Timing/Synchronization）

   • 通信的顺序控制，如数据发送和响应的时序。
   • 示例：TCP三次握手建立连接时的顺序规则。

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常见协议分类

类别	协议示例	作用
网络通信	TCP/IP、HTTP、FTP	实现数据传输和网络互联
安全协议	SSL/TLS、SSH、HTTPS	加密通信和身份验证
应用层协议	SMTP（邮件）、DNS	支持特定应用功能（如邮件解析域名）
硬件协议	USB、Bluetooth	硬件设备间的交互规范

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UDP协议（用户数据报协议）

1. 基本定义

UDP（User Datagram Protocol） 是一种无连接的传输层协议，位于TCP/IP模型中的传输层（OSI第4层）。它以最小化的协议机制提供高效的数据传输服务。

2. 核心特性

特性	说明
无连接	通信前无需建立连接，直接发送数据
不可靠传输	不保证数据顺序、不重传丢失报文、不检测拥塞
无状态	发送方和接收方不维护连接状态
头部开销小	固定8字节头部（TCP至少20字节）
支持广播/多播	可向多个主机同时发送数据

UDP协议实现通信

服务器端

由于UDP协议是一种通过数据报在网络中传输的协议，所以我们在创建套接字的时候需要将参数设置为数据报类型，服务器端主要有几个功能，一个是初始化服务器，一个是启动服务器，在启动服务器的时候需要将服务器写成死循环，服务器可以一直接收外部发来的数据。因为在服务器中存在着很多需要将网络字节序转化为本地字节序，所以为了方便，我们将IP地址和端口号封装成一个类InetAddr，这个类中的方法有网络字节序和本地字节序的转化，还有获取网络字节序和本地字节序，方便我们写代码的可读性。

注意：这里面用的LOG是上一章封装过的一个LOG类，可以直接拿过来用

Comm.hpp

#pragma once#include <iostream>
#define Die(code) exit(code)
#define CONV(v) (struct sockaddr *)(v)enum
{USAGE_ERR,SOCKET_ERR,BIND_ERR
};

InetAddr.hpp

#pragma once#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>class InetAddr
{
private:void PortNet2Host(){_port = ::ntohl(_net_addr.sin_port);}void IpNet2Host(){//将网络风格转化为字符串风格的char ipbuffer[64];const char * ip = inet_ntop(AF_INET,&_net_addr.sin_addr,ipbuffer,sizeof(ipbuffer));(void)ip;}
public:InetAddr(){}//网络转点分十进制---这里是网络转主机InetAddr(const struct sockaddr_in & addr):_net_addr(addr){PortNet2Host();IpNet2Host();}InetAddr(uint16_t port):_port(port),_ip(""){_port = _net_addr.sin_family = AF_INET;_net_addr.sin_port = htons(_port);//这里是主机转网络_net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;}struct sockaddr* NetAddr(){return CONV(&_net_addr);}socklen_t NetAddrLen(){return sizeof(_net_addr);}std::string Ip(){return _ip;}std::uint16_t Port(){return _port;}~InetAddr(){}
private://网络addrstruct sockaddr_in _net_addr;//网络序列的端口uint16_t _port;std::string _ip;
};

UdpServer.hpp

#ifndef __UDP_SERVER_HPP__
#define __UDP_SERVER_HPP__#include "InetAddr.hpp"
#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include "Log.hpp"using namespace lyrics;const static int gsockfd = -1;
// 这个ip表示主机的本地IP，一般用于做本地通信的
const static std::string gdefaultip = "127.0.0.1";
// 测试用的端口号
const static uint16_t defaultport = 8000;
class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port = defaultport): _sockfd(gsockfd),_addr(port),_isrunning(false) {}// 1. 初始化服务器----都是套路---UDP初始化void InitServer(){// 创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // IP？PORT？网络？本地？if (_sockfd < 0){// 输出致命的错误LOG(LogLevel::FATAL) << "socket: " << strerror(errno);// 创建失败直接结束：Die(SOCKET_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "socket success,sockfd is: " << _sockfd;int n = ::bind(_sockfd,_addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());if(n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) <<"socket: " << strerror(errno);Die(BIND_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind success";}void Start(){_isrunning = true;//服务器死循环while(true){struct sockaddr_in peer;//远端socklen_t len = sizeof(peer); //必须设定char inbuffer[1024];ssize_t n = ::recvfrom(_sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1,0,CONV(&peer),&len);//读取消息成功if(n > 0){InetAddr cli(peer);//1. 需要知道消息内容inbuffer[n] = 0;std::string clientinfo = cli.Ip() + ":" + std::to_string(cli.Port()) + " # " + inbuffer;LOG(LogLevel::DEBUG) << clientinfo;std::string echo_string = "echo ";echo_string += inbuffer;//2. 得知道消息是谁发的::sendto(_sockfd,echo_string.c_str(),echo_string.size(),0,CONV(&peer),sizeof(peer));}}_isrunning = false;}~UdpServer(){if(_sockfd > gsockfd)::close(_sockfd);}private:int _sockfd;InetAddr _addr;// uint16_t _port; // 服务器未来的端口号// 传递进来的是字符串风格的IP----点分十进制的IP地址//std::string _ip; // 服务器未来的ip地址bool _isrunning; // 服务器的运行状态
};
#endif

UdpServer.cc

#include "UdpServer.hpp"// ./server_udp localip localport
int main(int argc,char *argv[])
{if (argc != 2){std::cerr << "Usage" << argv[0] << "localport" << std::endl;Die(USAGE_ERR);}//默认输出在显示器上ENABLE_CONSOLE_LOG();std::unique_ptr<UdpServer> svr_uptr = std::make_unique<UdpServer>(std::stoi(argv[1]));svr_uptr->InitServer();svr_uptr->Start();return 0;
}

客户端

客户端不用封装，只需要创建套接字，然后向目标IP和目标端口号发送数据即可，在发送数据的时候需要写成死循环，这样客户端可以一直向服务器发送消息，我们发送一条消息，客户端回一条一模一样的消息，表示服务器接收到了消息。

#include "UdpClient.hpp"
#include "Comm.hpp"
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <cstdlib>
#include <string>// ./client_udp serverip serverport----客户端需r要先知道服务器的端口号和IP
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cerr << "Usage" << argv[0] << "serverip serverport" << std::endl;Die(USAGE_ERR);}std::string serverip = argv[1];// 命令行上输入的都是字符串uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);// 1. 创建套接字int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;Die(SOCKET_ERR);}// 1.1 填充server信息struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;// 需要调用主机转网络server.sin_port = htons(serverport);server.sin_addr.s_addr = ::inet_addr(serverip.c_str());// 2. clientdonewhile (true){std::cout << "please Entrer: ";std::string message;std::getline(std::cin, message);int n = ::sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, CONV(&server), sizeof(server));(void)n;struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);char buffer[1024];n = ::recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1,0,CONV(&temp),&len);if(n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << buffer <<std::endl;}}return 0;
}

总结

至此，我们用C++完整实现了一个基于UDP的通信流程，从创建 socket、绑定地址，到收发数据、关闭连接，每一步都围绕 Linux 下的 socket 编程核心展开。虽然 UDP 天生“无连接、不可靠”，但正因如此，它在低延迟、高并发场景下依然扮演着重要角色。希望这篇博客不仅帮你理清了 UDP 的基本用法，也为你后续深入网络编程打下了坚实的地基。别忘了，代码看完了不算真学会，敲一遍才是你自己的！