Linux編程之UDP SOCKET全攻略

這篇文章將對linux下udp socket編程重要知識點進行總結，無論是開發人員應知應會的，還是說udp socket的一些偏僻知識點，本文都會講到。儘可能做到，讀了一篇文章之後，大家對udp socket有一個比較全面的認識。本文分為兩個專題，第一個是常用的upd socket框架，第二個是一些udp socket並不常用但又相當重要的知識點。

一、基本的udp socket編程

1. UDP編程框架
要使用UDP協議進行程式開發，我們必須首先得理解什麼是什麼是UDP？這裡簡單概括一下。

UDP（user datagram protocol）的中文叫用戶數據報協議，屬於傳輸層。UDP是面向非連接的協議，它不與對方建立連接，而是直接把我要發的數據報發給對方。所以UDP適用於一次傳輸數據量很少、對可靠性要求不高的或對實時性要求高的應用場景。正因為UDP無需建立類如三次握手的連接，而使得通信效率很高。

UDP的應用非常廣泛，比如一些知名的應用層協議（SNMP、DNS）都是基於UDP的，想一想，如果SNMP使用的是TCP的話，每次查詢請求都得進行三次握手，這個花費的時間估計是使用者不能忍受的，因為這會產生明顯的卡頓。所以UDP就是SNMP的一個很好的選擇了，要是查詢過程發生丟包錯包也沒關係的，我們再發起一個查詢就好了，因為丟包的情況不多，這樣總比每次查詢都卡頓一下更容易讓人接受吧。

UDP通信的流程比較簡單，因此要搭建這麼一個常用的UDP通信框架也是比較簡單的。以下是UDP的框架圖。

由以上框圖可以看出，客戶端要發起一次請求，僅僅需要兩個步驟（socket和sendto），而伺服器端也僅僅需要三個步驟即可接收到來自客戶端的消息（socket、bind、recvfrom）。

2. UDP程式設計常用函數

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

#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);

#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);

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

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

3. 搭建UDP通信框架

server：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/types.h>
 3 #include <sys/socket.h>
 4 #include <netinet/in.h>
 5 #include <string.h>
 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];  //接收緩衝區，1024位元組
13     socklen_t len;
14     int count;
15     struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用於記錄發送方的地址信息
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是擁塞函數，沒有數據就一直擁塞
21         if(count == -1)
22         {
23             printf("recieve data fail!\n");
24             return;
25         }
26         printf("client:%s\n",buf);  //列印client發過來的信息
27         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
28         sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回覆client
29         printf("server:%s\n",buf);  //列印自己發送的信息給
30         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //發送信息給client，註意使用了clent_addr結構體指針
31 
32     }
33 }
34 
35 
36 /*
37     server:
38             socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
39 */
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:UDP
47     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，需要進行網路序轉換，INADDR_ANY：本地地址
56     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //埠號，需要網路序轉換
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);   //處理接收到的數據
66 
67     close(server_fd);
68     return 0;
69 }

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/types.h>
 3 #include <sys/socket.h>
 4 #include <netinet/in.h>
 5 #include <string.h>
 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);  //列印自己發送的信息
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);  //接收來自server的信息
25         printf("server:%s\n",buf);
26         sleep(1);  //一秒發送一次消息
27     }
28 }
29 
30 /*
31     client:
32             socket-->sendto-->revcfrom-->close
33 */
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);  //註意網路序轉換
51     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //註意網路序轉換
52 
53     udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);
54 
55     close(client_fd);
56 
57     return 0;
58 }

1. udp的connect函數
什麼？UDP也有conenct？connect不是用於TCP編程的嗎？
是的，UDP網路編程中的確有connect函數，但它僅僅用於表示確定了另一方的地址，並沒有其他含義。
有了以上認識後，我們可以知道UDP套接字有以下區分：
1）未連接的UDP套接字
2）已連接的UDP套接字

對於未連接的套接字，也就是我們常用的的UDP套接字，我們使用的是sendto/recvfrom進行信息的收發，目標主機的IP和埠是在調用sendto/recvfrom時確定的；

在一個未連接的UDP套接字上給兩個數據報調用sendto函數內核將執行以下六個步驟：
1）連接套接字
2）輸出第一個數據報
3）斷開套接字連接
4）連接套接字
5）輸出第二個數據報
6）斷開套接字連接

對於已連接的UDP套接字，必須先經過connect來向目標伺服器進行指定，然後調用read/write進行信息的收發，目標主機的IP和埠是在connect時確定的，也就是說，一旦conenct成功，我們就只能對該主機進行收發信息了。

已連接的UDP套接字給兩個數據報調用write函數內核將執行以下三個步驟：
1）連接套接字
2）輸出第一個數據報
3）輸出第二個數據報

由此可以知道，當應用進程知道給同一個目的地址的埠號發送多個數據報時，顯示套接字效率更高。

下麵給出帶connect函數的UDP通信框架

具體框架代碼不再給出了，因為跟上面不帶connect的代碼大同小異，僅僅多出一個connect函數處理而已，下麵給出處理conenct()的基本步驟。

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報文丟失問題
因為UDP自身的特點，決定了UDP會相對於TCP存在一些難以解決的問題。第一個就是UDP報文缺失問題。
在UDP伺服器客戶端的例子中，如果客戶端發送的數據丟失，伺服器會一直等待，直到客戶端的合法數據過來。如果伺服器的響應在中間被路由丟棄，則客戶端會一直阻塞，直到伺服器數據過來。

防止這樣的永久阻塞的一般方法是給客戶的recvfrom調用設置一個超時，大概有這麼兩種方法：
1）使用信號SIGALRM為recvfrom設置超時。首先我們為SIGALARM建立一個信號處理函數，併在每次調用前通過alarm設置一個5秒的超時。如果recvfrom被我們的信號處理函數中斷了，那就超時重發信息；若正常讀到數據了，就關閉報警時鐘並繼續進行下去。

2）使用select為recvfrom設置超時
設置select函數的第五個參數即可。

3. udp報文亂序問題
所謂亂序就是發送數據的順序和接收數據的順序不一致，例如發送數據的順序為A、B、C，但是接收到的數據順序卻為：A、C、B。產生這個問題的原因在於，每個數據報走的路由並不一樣，有的路由順暢，有的卻擁塞，這導致每個數據報到達目的地的順序就不一樣了。UDP協議並不保證數據報的按序接收。

解決這個問題的方法就是發送端在發送數據時加入數據報序號，這樣接收端接收到報文後可以先檢查數據報的序號，並將它們按序排隊，形成有序的數據報。

4. udp流量控制問題
總所周知，TCP有滑動視窗進行流量控制和擁塞控制，反觀UDP因為其特點無法做到。UDP接收數據時直接將數據放進緩衝區內，如果用戶沒有及時將緩衝區的內容複製出來放好的話，後面的到來的數據會接著往緩衝區放，當緩衝區滿時，後來的到的數據就會覆蓋先來的數據而造成數據丟失（因為內核使用的UDP緩衝區是環形緩衝區）。因此，一旦發送方在某個時間點爆發性發送消息，接收方將因為來不及接收而發生信息丟失。

解決方法一般採用增大UDP緩衝區，使得接收方的接收能力大於發送方的發送能力。