Linux编程中的UDP SOCKET

大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解Linux编程中的UDP SOCKET问题。

本文将总结linux下udp socket编程的重要知识点，无论是开发者应该知道的还是udp socket的一些远程知识点。尽量多做。看完一篇文章，大家对udp socket有了全面的了解。本文分为两个主题，第一个是常用的upd socket框架，第二个是udp socket中不常用的一些重要知识点。

1.基本udp套接字编程

1.UDP编程框架

使用UDP协议进行程序开发，首先要了解什么是UDP？这里简单总结一下。

UDP(用户数据报协议)中文称为用户数据报协议，属于传输层。UDP是一种非面向连接的协议。它不是和对方建立连接，而是把我想发送的数据报直接发送给对方。因此，UDP适用于一次传输数据量小、对可靠性要求不高或对实时性要求高的应用场景。因为UDP不需要建立三次握手等类的连接，所以通信效率很高。

UDP被广泛使用。例如，一些众所周知的应用层协议(SNMP、DNS)都是基于UDP的。好好想想。如果SNMP使用TCP，每个查询请求都必须是三次握手。这个时间对于用户来说估计是难以承受的，因为会造成明显的死锁。因此，UDP是SNMP的一个不错的选择。查询过程中有没有丢包和错包都无所谓。我们就再推出一个查询吧，因为丢包的情况不多，所以总比每个查询更容易让人接受。

UDP通信的过程比较简单，所以搭建这样一个通用的UDP通信框架也比较简单。下面是UDP的框架图。

从上面的框图可以看出，客户端发起请求只需要两个步骤(socket和sendto)，服务器接收来自客户端的消息只需要三个步骤(socket、bind、recvfrom)。

2.UDP编程的常见功能

#include #include int socket(int域、int类型、int协议)；

参数domain:用于设置网络通信的域。socket根据这个参数选择信息协议家族。

名称目的

AF_UNIX，AF_LOCAL本地通信

用于IPv4的AF_INET IPV4Internetprotocols/

用于IPV6的互联网协议

AF _ IPXIPX-新机场

AF _ NETLINK kernel serieinterface device

AF _ X25 ITU-tx . 25/ISO-8208协议

AF_AX25业余无线电爱好者

AF _ ATMPVC AccesstorawATMPVCs

AF_APPLETALK AppleTalk

AF _ PACKET low level PACKET tinterface

对于该参数我们仅需熟记AF_INET和AF_INET6即可

小插曲：PF_XXX和AF_XXX

我们在看Linux网络编程相关代码时会发现PF_XXX和AF_XXX会混着用，他们俩有什么区别呢？以下内容摘自《UNP》。

AF_前缀表示地址族（Address Family），而PF_前缀表示协议族（Protocol Family）。历史上曾有这样的想法：单个协议族可以支持多个地址族，PF_的值可以用来创建套接字，而AF_值用于套接字的地址结构。但实际上，支持多个地址族的协议族从来就没实现过，而头文件中为一给定的协议定义的PF_值总是与此协议的AF_值相同。

所以我在实际编程时还是偏向于使用AF_XXX。

参数type（只列出最重要的三个）:

SOCK_STREAM         Provides sequenced, reliable, two-way, connecTIon-based byte streams.   //用于TCP

SOCK_DGRAM          Supports datagrams (connecTIonless, unreliable messages ). //用于UDP

SOCK_RAW              Provides raw network protocol access.  //RAW类型，用于提供原始网络访问

参数protocol：置0即可

返回值：成功：非负的文件描述符

失败：-1

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

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得

第二个参数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

第三个参数len:发送缓冲区的大小，单位是字节

第四个参数flags:填0即可

第五个参数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

第六个参数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 

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

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得

第二个参数buf：接收缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有接收到的数据

第三个参数len:接收缓冲区的大小，单位是字节

第四个参数flags:填0即可

第五个参数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

第六个参数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

#include #include int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得

第二个参数my_addr:需要绑定的IP和端口

第三个参数addrlen：my_addr的结构体的大小

返回值：成功：0

失败：-1

#include int close(int fd);

close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。

3. 搭建UDP通信框架

server：

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include in.h> 5 #include 6 7 #define SERVER_PORT 8888 8 #define BUFF_LEN 1024 9 10 void handle_udp_msg(int fd)11 {12 char buf[BUFF_LEN]; //接收缓冲区，1024字节13 socklen_t len;14 int count;15 struct sockaddr_in clent_addr; //clent_addr用于记录发送方的地址信息16 while(1)17 {18 memset(buf, 0, BUFF_LEN);19 len = sizeof(clent_addr);20 count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len); //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞21 if(count == -1)22 {23 printf("recieve data fail!\n");24 return;25 }26 printf("client:%s\n",buf); //打印client发过来的信息27 memset(buf, 0, BUFF_LEN);28 sprintf(buf,"I have recieved %d bytes data!\n", count); //回复client29 printf("server:%s\n",buf); //打印自己发送的信息给30 sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len); //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针31 32 }33 }34 35 36 40 41 int main(int argc, char* argv[])42 {43 int server_fd, ret;44 struct sockaddr_in ser_addr; 45 46 server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP47 if(server_fd < 0)48 {49 printf("create socket fail!\n");50 return -1;51 }52 53 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));54 ser_addr.sin_family = AF_INET;55 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址56 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //端口号，需要网络序转换57 58 ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));59 if(ret < 0)60 {61 printf("socket bind fail!\n");62 return -1;63 }64 65 handle_udp_msg(server_fd); //处理接收到的数据66 67 close(server_fd);68 return 0;69 }

client：

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include in.h> 5 #include 6 7 #define SERVER_PORT 8888 8 #define BUFF_LEN 512 9 #define SERVER_IP"172.0.5.182"10 11 12 void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)13 {14 15 socklen_t len;16 struct sockaddr_in src;17 while(1)18 {19 char buf[BUFF_LEN] ="TEST UDP MSG!\n";20 len = sizeof(*dst);21 printf("client:%s\n",buf); //打印自己发送的信息22 sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);23 memset(buf, 0, BUFF_LEN);24 recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len); //接收来自server的信息25 printf("server:%s\n",buf);26 sleep(1); //一秒发送一次消息27 }28 }29 30 34 35 int main(int argc, char* argv[])36 {37 int client_fd;38 struct sockaddr_in ser_addr;39 40 client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);41 if(client_fd < 0)42 {43 printf("create socket fail!\n");44 return -1;45 }46 47 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));48 ser_addr.sin_family = AF_INET;49 //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);50 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //注意网络序转换51 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //注意网络序转换52 53 udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);54 55 close(client_fd);56 57 return 0;58 }

以上的框架用于一台主机不同端口的UDP通信，现象如下：

我们先建立server端，等待服务；然后我们建立client端请求服务。

server端：

client端：

自己主机跟自己通信不是很爽，我们想跟其他主机通信怎么搞？很简单，上面client的代码的第49行的注释打开，并注释掉下面那行，在宏定义里填入自己想通信的serverip就可以了。现象如下：

server端：

client端：

这样我们就实现了主机172.0.5.183和172.0.5.182之间的网络通信。

UDP通用框架搭建完成，我们可以利用该框架跟指定主机进行通信了。

如果想学习UDP的基础知识，以上的知识就足够了；如果想继续深入学习一下UDP SOCKET一些高级知识（奇技淫巧），可以花点时间往下看。

二、高级udp socket编程

1. udp的connect函数什么？UDP也有conenct？connect不是用于TCP编程的吗？是的，UDP网络编程中的确有connect函数，但它仅仅用于表示确定了另一方的地址，并没有其他含义。有了以上认识后，我们可以知道UDP套接字有以下区分：1）未连接的UDP套接字2）已连接的UDP套接字对于未连接的套接字，也就是我们常用的的UDP套接字，我们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在调用sendto/recvfrom时确定的；在一个未连接的UDP套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行以下六个步骤：1）连接套接字2）输出第一个数据报3）断开套接字连接4）连接套接字5）输出第二个数据报6）断开套接字连接对于已连接的UDP套接字，必须先经过connect来向目标服务器进行指定，然后调用read/write进行信息的收发，目标主机的IP和端口是在connect时确定的，也就是说，一旦conenct成功，我们就只能对该主机进行收发信息了。已连接的UDP套接字给两个数据报调用write函数内核将执行以下三个步骤：1）连接套接字2）输出第一个数据报3）输出第二个数据报由此可以知道，当应用进程知道给同一个目的地址的端口号发送多个数据报时，显示套接字效率更高。下面给出带connect函数的UDP通信框架

具体框架代码不再给出了，因为跟上面不带connect的代码大同小异，仅仅多出一个connect函数处理而已，下面给出处理conenct()的基本步骤。

void udp_handler(int s, struct sockaddr* to){ char buf[1024] ="TEST UDP !"; int n = 0; connect(s, to, sizeof(*to); n = write(s, buf, 1024); read(s, buf, n);}

2. udp报文丢失问题因为UDP自身的特点，决定了UDP会相对于TCP存在一些难以解决的问题。第一个就是UDP报文缺失问题。在UDP服务器客户端的例子中，如果客户端发送的数据丢失，服务器会一直等待，直到客户端的合法数据过来。如果服务器的响应在中间被路由丢弃，则客户端会一直阻塞，直到服务器数据过来。防止这样的永久阻塞的一般方法是给客户的recvfrom调用设置一个超时，大概有这么两种方法：1）使用信号SIGALRM为recvfrom设置超时。首先我们为SIGALARM建立一个信号处理函数，并在每次调用前通过alarm设置一个5秒的超时。如果recvfrom被我们的信号处理函数中断了，那就超时重发信息；若正常读到数据了，就关闭报警时钟并继续进行下去。2）使用select为recvfrom设置超时设置select函数的第五个参数即可。

3. udp报文乱序问题所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为A、B、C，但是接收到的数据顺序却为：A、C、B。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。UDP协议并不保证数据报的按序接收。解决这个问题的方法就是发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。

4. udp流量控制问题总所周知，TCP有滑动窗口进行流量控制和拥塞控制，反观UDP因为其特点无法做到。UDP接收数据时直接将数据放进缓冲区内，如果用户没有及时将缓冲区的内容复制出来放好的话，后面的到来的数据会接着往缓冲区放，当缓冲区满时，后来的到的数据就会覆盖先来的数据而造成数据丢失（因为内核使用的UDP缓冲区是环形缓冲区）。因此，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将因为来不及接收而发生信息丢失。解决方法一般采用增大UDP缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。

int n = 220 * 1024; //220kB

setsocketopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));这样我们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽量避免丢失数据的发生。