基于 UDP 协议的 socket 编程：实现 UDP 服务器

1. 明白 IP 端标语 Socket

• IP 地址是一个逻辑地址，每个连接到互联网的设备都会有一个唯一的 IP 地址；因此，IP 地址 可以用于唯一地标识互联网上的每一台设备。
  
• 端标语 (port) 是一个 16 位的数字，用于区分同一台设备上的差别应用程序或服务。
  
• Socket = IP + 端标语 ，用于在网络中唯一地标识一段通讯端点。
  

通过 IP 地址 加上 端标语 —— Socket，可以定位到互联网上的某个特定的程序或应用。

1. #include <sys/socket.h>
3. int socket(int domain, int type, int protocol); // 创建套接字(socket)文件描述符

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2. sockaddr 结构

sockaddr 结构是一个通用的网络地址结构。
在实际编程中，通常会先添补 sockaddr_in 结构，再将其强制转换为 sockaddr 结构，以便传递给网络相干的系统调用函数。
2.1 sockaddr_in

sockaddr_in 是专用于 IPv4 地址的结构，包含于 <netinet/in.h> 头文件中。

1. struct sockaddr_in {
2.     short int sin_family;   // 地址族，通常是 AF_INET
3.     unsigned short int sin_port; // 端口号，网络字节序
4.     struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址
5.     char sin_zero[8];       // 填充字段，通常设置为 0
6. };

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  介绍两个函数，便于添补 sockaddr_in 结构

1. #include <arpa/inet.h> // 头文件

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• htons() ：用于将端标语从 主机序列 转换成 网络序列。
  
• inet_addr() ：用于将 字符串风格的点分十进制 IP 地址 转换为 4 字节整数。
  

3. socket 常用接口

3.1 bind()

1. #include <sys/socket.h>
3. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
4. // bind() 用于将一个 套接字文件描述符 和一个 特定的地址(IP + 端口号) 进行绑定
5. // 成功，返回 0；失败，返回 -1，并设置错误码

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• 服务器程序：必要显式地绑定一个特定端标语，以便客户端能够通过该端口访问到服务器；
  
• 客户端程序：不能显式绑定特定端标语！
  辩论风险： 如果客户端程序显式绑定了一个特定端标语，那么启动该程序之后，同一机器上其他必要利用相同端标语的程序将其无法启动。
         假设应用A的客户端程序显式绑定了8080端口，启动应用A之后，同样显式绑定了8080端口的应用B将无法被启动，由于该端口已被占用。
      自动端口分配： OS 会在第一次利用套接字时，自动分配一个临时端口，并将其与套接字绑定。
  

3.2 recvfrom() sendto()

1. #include <sys/socket.h>
3. ssize_t recvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len, int flags,
4.                  struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr, socklen_t *_Nullable restrict addrlen);
5. // 成功，返回接收到的字节数；失败，返回 -1
7. ssize_t sendto(int sockfd, const void buf[.len], size_t len, int flags,
8.                       const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
9. // 成功，返回发送的字节数；失败，返回 -1

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4. UdpServer

1. const int defaultsockfd = -1
3. class UdpServer
4. {
5. public:
6.     UdpServer(uint16_t port, string ip) :_sockfd(defaultsockfd), _ip(ip), _port(port), _isrunning(false)
7.     {}
8.    
9.     ~UdpServer()
10.     {}
11. private:
12.     int _sockfd;
13.     string _ip;
14.     uint16_t _port;
15.    
16.     bool _isrunning;
17. };

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4.1 InitServer()

   

• 创建套接字
  
• 添补 sockaddr_in 结构
  
• 将 套接字 和 sockaddr_in 绑定
  

1. class UdpServer
2. {
3. public:
4.     void InitServer()
5.     {
6.         // 1. 创建套接字
7.         _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
8.         if (_sockfd < 0)
9.         {
10.             cout << "socket make fail" << endl;
11.             exit(1);
12.                 }
13.         
14.         // 2. 填充 sockaddr_in 结构
15.         struct sockaddr_in local;
16.         local.sin_family = AF_INET;
17.         local.sin_port = htons(_port); // 主机序列 -> 网络序列
18.         
19.         local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数
21.         
22.         // 3. 绑定 套接字 和 地址
23.         int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));
24.         if (n < 0)
25.         {
26.             cout << "socket bind error" << endl;
27.             exit(1);
28.         }
29.     }
30. }

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INADDR_ANY 是一个特殊常量，值为 0 ，表示 “任何可用的网络接口” 。
当服务端程序调用 bind 函数时，可以将 INADDR_ANY 或 0 作为 IP 地址绑定在套接字上 —— 这种做法可以使服务端程序接收来自任何网络接口的连接请求，而不仅仅是特定 IP 地址。
   基于此，对 class UdpServer 举行修改。

1. class UdpServer
2. {
3. public:
4.     UdpServer(uint16_t port) :_sockfd(defaultsockfd), _port(port), _isrunning(false)
5.     {}
6.    
7.     void InitServer()
8.     {
9.         // ...
10.         // local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数
11.         local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 字符串风格的点分十进制 ip -> 4字节整数
12.     }
13. private:
14.     int _sockfd;
15.     // string _ip;
16.     uint16_t _port;
17.    
18.     bool _isrunning;
19. }

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4.2 Start()

为了包管服务的高可靠性和连续性，服务程序计划为一旦启动就会持续运行，直到手动制止 ；
为此，利用一个布尔变量 _isrunning 来标记当前服务是否处于运行状态；
服务的主要使命是循环实行两个核心操作：1. 担当信息； 2. 返回接收到的信息。

1. class UdpServer
2. {
3. public:
4.     void Start()
5.     {
6.         _isrunning = true;
7.         while (true)
8.         {
9.             // 1. 接收信息
10.             char buffer[1024];
11.             struct sockaddr_in peer;
12.             memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
13.             socklen_t len = sizeof(peer);
14.                        
15.             ssize_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, 1024, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
16.             if (n < 0)
17.             {
18.                 cout << "recvfrom error" << endl;
19.                 exit(1);
20.                         }
21.             cout << "get message# " << buffer << endl;
23.             // 2. 发送信息
24.             n = sendto(_sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer, len);
25.             if (n < 0)
26.             {
27.                 cout << "sendto error" << endl;
28.                 exit(1);
29.             }
30.         }
31.         _isrunning = false;
32.     }
33. }

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4.3 启动 Server

1. void Usage(string proc)
2. {
3.     cout << "Usage:\n\t" << proc << "  server_ip  server_port\n" << endl;
4. }
6. int main(int argc, char* argv[])
7. {
8.     if (argc != 3)
9.     {
10.         Usage(argv[0]);
11.         exit(1);
12.         }
13.    
14.     string server_ip = argv[1];
15.     uint16_t server_port = stoi(argc[2]);
16.    
17.     unique_ptr<UdpServer> usvr = make_unique<UdpServer>(server_port, server_ip);
18.     usvr->InitServer();
19.     usvr->Start();
20.    
21.     return 0;
22. }

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