UDP协议详解 - 爱码网

一、UDP概述

UDP 是 User Datagram Protocol 的简称，中文名是用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的传输层协议，在网络中用于处理数据包，是一种无连接的协议。UDP 不提供可靠性的传输，它只是把应用程序传给 IP 层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

【UDP的特点】：

每个分组都携带完整的目的地址；
发送数据之前不需要建立链接；
不对数据包的顺序进行检查，不能保证分组的先后顺序；
不进行分组出错的恢复和重传；
不保证数据传输的可靠性。

在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP 协议数据包丢失会比较严重。但是由于 UDP 的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用 UDP 较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的 ICQ 和 QQ 就是使用的 UDP。

【使用UDP网络发送数据注意事项】：

前提：必须要保证他们在同一个局域网中，要在一个网段才行，跨网就不能直接通讯；
虚拟机改成桥接模式就和windows网段一样了；
互相ping通。

二、UDP编程框架

UDP通信的流程比较简单，因此要搭建这么一个常用的UDP通信框架也是比较简单的。以下是UDP的框架图。
UDP协议详解

由以上框图可以看出，客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。

三、UDP程序设计常用函数

1、sendto()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, 
				int flags, const struct sockaddr *dest_addr, 
				socklen_t addrlen);

功能： 向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据，可以发送 0 长度的 UDP 数据包。
参数：
- sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
- buf：发送缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据；
- len：发送缓冲区的大小，单位是字节；
- flags：填0即可；
- dest_addr：指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪个主机哪个进程；
- addrlen：表示第五个参数所指向内容的长度；
返回值： 成功：返回发送成功的数据长度，失败： -1。

2、recvfrom()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, 
				int flags, struct sockaddr *src_addr, 
				socklen_t *addrlen);

功能： 接收 UDP 数据，并将源地址信息保存在 from 指向的结构中。
参数：
- sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
- buf：接收数据缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据；
- len：接收缓冲区的大小，单位是字节；
- flags：填0即可；
- src_addr：指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以从该参数获取到数据是谁发出的；
- addrlen：表示第五个参数所指向内容的长度；
返回值： 成功：返回接收成功的数据长度，失败： -1。

3、bind()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, 
		socklen_t addrlen);

功能： 将本地协议地址与 sockfd 绑定，这样 ip、port 就固定了。
参数：
- sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
- my_addr：需要绑定的IP和端口；
- addrlen：my_addr的结构体的大小；
返回值： 成功：0，失败： -1。

4、close()函数

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。

四、UDP程序设计demo

1、client

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

int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned short port = 8080; // 服务器端口
    char *server_ip = "192.168.202.1"; // 服务器ip地址
    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建套接字
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in dest_addr; // 初始化套接字
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    dest_addr.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET, server_ip, &dest_addr.sin_addr); // ip地址转换
    printf("send data to UDP server %s: %d\n", server_ip, port);
    while (1)
    {
        char send_buf[512];
        fgets(send_buf, sizeof(send_buf), stdin); // 从标准输入读数据
        send_buf[strlen(send_buf) - 1] = '\0'; // 以\0结尾
        // 发送数据
        int len = sendto(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
        printf("len = %d\n", len);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

2、server

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned short port = 48570;     // 本地端口
    if(argc > 1)
    {
        port = atoi(argv[1]);
    }

    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 创建套接字
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }
    
    // 本地网络地址
    struct sockaddr_in my_addr;
    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));   // 清空结构体内容
    my_addr.sin_family = AF_INET;   // ipv4
    my_addr.sin_port = htons(port);   // 端口转换
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0
    
    printf("Binding server to port %d\n", port);
    int err_log;
    err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定
    if(err_log != 0)
    {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(-1);
    }
    
    printf("receive data...\n");
    while(1)
    {
        int recv_len;
        char recv_buf[512] = "";
        struct sockaddr_in client_addr;
        char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; // INET_ADDRSTRLEN=16
        socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); 
        
        // 接受数据
        recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);
        printf("\nip:%s ,port:%d\n",cli_ip, ntohs(client_addr.sin_port));
        printf("data(%d):%s\n", recv_len, recv_buf);
    }
    
    close(sockfd);
    return 0;
}