网编(5)：基于UDP的服务器端/客户端

网编(5)：基于UDP的服务器端/客户端

UDP提供的是不可靠的数据传输服务。流控机制是区分UDP和TCP的最重要的标志。

UDP 内部工作原理

与TCP不同， UDP不会进行流控制。接下来具体讨论UDP的作用， 如图所示。

IP的作用就是让离开主机B 的UDP数据包准确传递到主机A 。但把UDP包最终交给主机A的某-UDP套接字的过程则是由UDP完成的。UDP最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的UDP套接字。

UDP 中的服务器端和客户端没有连接

UDP服务器端／客户端不像TCP那样在连接状态下交换数据，因此与TCP不同，无需经过连接过程。也就是说，不必调用TCP连接过程中调用的listen 函数和accept函数。UDP中只有创建套接字的过程和数据交换过程。

UDP 服务器端和客户端均只需1个套接字

注意：TCP的  listen  相当于一个门卫，只是处理连接请求的受理顺序，而  accept  用来正真的处理数据传输，accept会自动生成一个套接字。因此：TCP 中的套接字之间应该是一对一的关系。若要向10个客户端提供服务，则除了守门的服务器套接字外，还需要10个服务器端套接字，也就是服务器要  11  个套接字。

UDP 中，不管是服务器端还是客户端都只需要1个套接字。之前解释UDP原理时举了信件的例子，收发信件时使用的邮筒可以比喻为UDP套接字。只要附近有1 个邮筒，就可以通过它向任意地址寄出信件。同样，只需1 个UDP套接字就可以向任主机传输数据，如图所示。

也就是TCP是多对多，UDP是一对多。

基千UDP 的数据I/O函数——————————————————————

创建好TCP套接字后，传输数据时无需再添加地址信息。因为TCP套接字将保持与对方套接字的连接。换言之， TCP套接字知道目标地址信息。但UDP套接字不会保持连接状态(UDP套接字只有简单的邮筒功能），因此每次传输数据都要添加目标地址信息。这相当于寄信前在信件中填写地址。接下来介绍填写地址并传输数据时调用的UDP相关函数。

发送函数：

#include ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);//成功时返回传输的字节数，失败时返回-1 。#sock 用于传输数据的UDP套接字文件描述符。#buff 保存待传输数据的缓冲地址值。#nbytes 待传输的数据长度，以字节为单位。#flags 可选项参数，若没有则传递0。#to 存有目标地址信息的sockaddr结构体变量的地址值。#addrlen 传递给参数to的地址值结构体变量长度。

接收函数：

#include ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr * from, socklen_t *addrlen);成功时返回接收的字节数，失败时返回-1。#sock 用于接收数据的UDP套接字文件描述符。#buff 保存接收数据的缓冲地址值。#nbytes 可接收的最大字节数，故无法超过参数butt所指的缓冲大小。#flags 可选项参数，若没有则传入0 。#from 存有发送端地址信息的sockadd结构体体变量的地址值。#addrlen 保存参数from的结构体变量长度的变量地址值。

需要注意的是， UDP不同于TCP , 不存在请求连接和受理过程，因此在某种意义上无法明确区分服务器端和客户端。只是因其提供服务而称为服务器端。

示例程序：——————————————————————————————————

服务器端在同一时刻只与一个客户端相连，并提供回声服务。服务器端一直客户端提供服务。客户端接收用户输入的字符串并发送到服务器端。服务器端将接收的字符串数据传回客户端， 即“回声” 。服务器端与客户端之间的字符串回声一直执行到客户端输入Q为止。

服务器：

#include #include #include #include #include #include #define BUF_SIZE 1024void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[]){ int serv_sock; char message[BUF_SIZE]; int str_len; socklen_t clnt_adr_sz; struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; if(argc != 2){ printf("Usage : %s \n", argv[0]); exit(1); } serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0) ; if(serv_sock == -1) error_handling("UDP socket cr eation error" ) ; memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr )); serv_adr.sin_family=AF_INET; serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) error_handling("bind() error");//建立绑定信息 memset(message, 0, sizeof(message)); while(1) { clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr) ; str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz); sendto(serv_sock, message, str_len, 0, (struct sockaddr* )&clnt_adr, clnt_adr_sz); memset(message, 0, sizeof(message)); } close(serv_sock); return 0;}void error_handling(char *message){ fputs(message, stderr); fputc('\n', stderr); exit(1);}

客户端：

#include #include #include #include #include #include #define BUF_SIZE 1024void error_handling(char *message);int main(int argc, char* argv[]){ int sock; char message[BUF_SIZE]; int str_len; socklen_t adr_sz; struct sockaddr_in serv_adr, from_adr; if(argc!=3){ printf("Usage : %s \n", argv[0]); exit(1); } sock=socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if(sock==-1) error_handling("socket() error"); memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); serv_adr.sin_family=AF_INET; serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2])); while(1) { fputs("Insert message(q to quit): ", stdout); fgets(message, sizeof(message), stdin); if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n")) break; sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)); adr_sz = sizeof(from_adr); memset(message, 0, sizeof(message)); str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz); message[str_len]=0; printf("Message from server: %s", message); memset(message, 0, sizeof(message)); } close(sock); return 0;}void error_handling(char *message){ fputs(message, stderr); fputc('\n', stderr); exit(1);}

TCP客户端调用connect函数自动完成此过程。

UDP调用sendto 函数时发现尚未分配地址信息， 则在首次调用sendto函数时给相应套接字自动分配IP和端口。而且此时分配的地址一直保留到程序结束为止， 因此也可用来与其他UDP套接字进行数据交换。当然， IP用主机IP , 端口号选尚未使用的任意端口号。

边界问题————————————————————————

TCP 套接字中的I/O缓冲TCP套接字的数据收发无边界。服务器端即使调用1次write函数传输40字节的数据，客户端也有可能通过4次read函数调用每次读取10字节。但此处也有一些疑问，服务器端一次性传输了40字节，而客户端居然可以缓慢地分批接收。客户端接收10字节后，剩下的30字节在何处等候呢？是不是像飞机为等待着陆而在空中盘旋一样，剩下30字节也在网络中徘徊并等待接收呢？实际上， write函数调用后并非立即传输数据， read函数调用后也并非马上接收数据。更准确地说，如图所示， write函数调用瞬间，数据将移至输出缓冲； read函数调用瞬间，从输入缓冲读取数据。这表示“ TCP 数据传给过程中调用I/O函数的次数不具有任何意义。”

存在数据边界的 UDP 套接字UDP是具有数据边界的协议，传输中调用I/0 函数的次数非常重要。因此，输入函数的调用次数应和输出函数的调用次数完全一致，这样才能保证接收全部已发送数据。

UDP 数据报(Datagram) UDP 套接字传输的数据包又称数据报，实际上数据报也属于数据包的一种。只是与TCP 包不同，其本身可以成为1 个完整数据。这与UDP 的数据传输特性有关， UDP 中存在数据边界， 1 个数据包即可成为1 个完整数据，因此称为数据报。

已连接( connected ) UDP 套接字与未连接( unconnected ) UDP 套接字

客户端通过  sendto  函数传输数据的过程大致可分为以下3个阶段。

第1 阶段：向UDP套接字注册目标IP和端口号。第2 阶段：传输数据。第3 阶段：删除UDP套接字中注册的目标地址信息。

因此每一次调用  sendto  函数就要建立一个套接字，很浪费时间。

而TCP只在调用connet函数时建立一次套接字，然后就可以一直发送数据。

创建已连接UDP 套接字

创建已连接UDP套接字的过程格外简单， 只需针对UDP套接字调用connect函数。

sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);memset(&adr, 0, sizeof(adr));adr.sin_family = AF_INET;adr.sin_addr.s_addr = 1.1.1.1;adr.sin_port = 6666;connect (sock, (struct sockaddr * ) &adr, sizeof(adr));

上述代码看似与TCP套接字创建过程一致，但socket 函数的第二个参数分明是SOCK_OGRAM 。也就是说，创建的的确是UDP套接字。当然，针对UDP套接字调用connect函数并不意味着要与对方UDP套接字连接，这只是向UDP套接字注册目标IP和端口信息。之后就与TCP套接字一样，每次调用sendto函数时只需传输数据。因为已经指定了收发对象，所以不仅可以使用sendto 、recvfrom函数，还可以使用write 、read函数进行通信。

所以下面的代码可以改变：

sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));//发送str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);//接收

为：

connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));//连接write(sock, message, strlen(message));//发送str_len=read(sock, message, sizeof(message)-1);//接收

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