UDP协议和Socket编程

自由的羽毛  论坛元老 | 2025-3-17 05:06:36 | 显示全部楼层 | 阅读模式
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每天开心！！！
  
  
一、UDP的特点

UDP（User Datagram Protocol，用户数据协议）是互联网协议套件中的一种传输层协议，与广泛使用的TCP（Tramsmission Control Protocol，传输控制协议）相比，它是一种无毗连、不可靠的协议。UDP被用于对传输速率要求较高、但对可靠性要求较低的场景。

二、TCP和UDP的区别

UDP（用胡数据报协议）和TCP（传输控制协议）都是传输层协议，负责在网络中传输数据，但它们的设计目的和实现方式有很大的区别。
以下是UDP和TCP的主要区别：

三、UDP的包头格式



  • UDP伪首部（Pseudo Header）
    伪首部适用于计算校验和的虚拟头部信息，它不包罗在实际传输的数据中，但用于包管数据完整性。伪首部包罗以下字段


  • 32位源IP地址：表示数据包的源IP地址，即发送方的IP地址
  • 32位目的IP地址：表示数据包的目的IP地址，即吸收方的IP地址
  • 0：固定填充的8位0字段，不使用
  • 8位协议（17）：标识传输协议范例。对于UDP协议来说，这个字段的值是17
  • 16位UDP长度：表示整个UDP数据报的长度，包括UDP首部和数据部分

  • UDP首部
    UDP首部是真正的数据报头部，它包罗了与UDP通讯干系的根本信息。UDP首部固定为8字节，包罗以下字段：


  • 16位源端口号：发送方的端口号，标识发送数据的应用程序。假如不须要，值可以为0
  • 16位目的端口号：吸收方的端口号，表示吸收数据的应用程序
    16位UDP长度：表示UDP报文的总长度（包括UDP首部和数据部分）。由于UDP首部固定为8字节，因此长度至少为8
  • 16位UDP校验和：用于确保数据报在传输过程中没有被粉碎。它由UDP伪首部、UDP首部和数据部分计算而得。假如发送方不计算校验和，则该字段可以为0。

  • 数据部分
    UDP数据报的实际数据内容。数据部分的长度可以根据具体的应用需求而变化，但必须与首部中的UDP长度字段保持一致
  • 填充字段（0）
    数据包须要肯定的字节对齐规则（如32位对齐）填充到合适的长度，以确保数据包的完整性和便于传输
  • 重点


  • UDP伪首部并不实际存在于UDP报文中，它仅在计算校验和时使用，用于提供更多的上下文（如IP地址）来验证数据的完整性
  • UDP首部非常简朴，仅有8字节，包管了UDP的轻量和高效
  • UDP数据：携带的实际传输数据，长度可以根据应用而变化
    这个图展示了UDP协议的简朴性和高效性，由于UDP协议不须要复杂的毗连管理或传输控制机制。
四、UDP Socket编程流程



  • UDP客户端流程


  • socket（）：创建一个UDP套接字（Socket）。这是启动UDP通讯的第一步，客户端通过调用socket（）函数生成一个用于通讯的套接字
  • sendto（（）：向服务器发送数据。客户端使用sendto（）函数来将数据报发送到指定的服务器IP地址和端口。这是一个无毗连的操纵，不须要事先建立毗连
  • 等候相应：客户端待用recvform（）函数，进入阻塞状态，等候从服务器返回的数据。recvform（）会吸收来自服务器的数据报，函数会在吸收到数据后解除阻塞。
  • recvform（）：吸收到服务器返回的数据后，继续处理该数据。
  • close（）：通讯完成后，关闭客户端套接字，释放系统资源。

  • UDP服务器流程


  • socket（）：与客户端一样，服务器起首创建一个UDP套接字，通过调用socket（）函数。
  • bind（）：将套接字与指定的IP地址和端口绑定。服务器必须绑定到一个特定的端口上。这样才能吸收来自客户端的数据，bind（）是服务器端持有的操纵，客户端通常不须要显式的调用bind（）
  • recvform（）：服务器使用recvform（）吸收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到吸收到数据为止。
  • 处理请求：收到数据后，服务器使用recvform（）吸收客户端发送的数据报，并进入阻塞状态，直到吸收到数据为止。
  • sendto（）：处理完成后，服务器通过sendto（）向客户端发送相应数据。
  • 继续等候：服务器可以继续调用recvform（）来吸收下一个数据请求

  • 图中的其他元素


  • 阻塞直到收到数据：无论是客户端照旧服务器，调用recvform（）后，程序会进入阻塞状态，等候对方发送数据，这是一个UDP通讯中的常见模式
  • 数据请求和数据相应：图中表现了客户端向服务器发送请求数据，服务器处理后会返回相应数据的流程。

  • UDP通讯的特点


  • 无毗连：UDP协议是无毗连的，客户端不须要先与服务器建立毗连，直接发送数据。服务器收到数据后可以立即处理。
  • 阻塞模式：图中表现的recvform（）操纵是阻塞的，直到有数据到来才会继续执行
  • 简朴轻量：由于UDP不须要维护毗连状态，它比TCP更加简朴和轻量，适用于对实时性要求高但是对数据可靠性要求较低的场景。
五、UDP代码实现


  • UDP服务器代码实现
  1. #include <iostream>
  2. #include <cstring>
  3. #include <sys/socket.h>
  4. #include <arpa/inet.h>
  5. #include <unistd.h>
  7. using namespace std;
  9. #define PORT 8080
  10. #define BUFFER_SIZE 1024
  12. int main()
  13. {
  14.     int sockfd;
  15.     char buffer[BUFFER_SIZE];
  16.     struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
  17.     socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
  19.     //创建UDPsocket
  20.     sockfd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  21.     if(sockfd<0)
  22.     {
  23.         cerr<<"socket error"<<endl;
  24.         exit(EXIT_FAILURE);
  25.     }
  27.     //配置服务器地址
  28.     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
  29.     server_addr.sin_family = AF_INET;   //IPv4
  30.     server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //监听所有地址
  31.     server_addr.sin_port = htons(PORT);      //端口号
  33.     //绑定socket到地址
  34.     if(bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr))<0)
  35.     {
  36.         cerr<<"bind error"<<endl;
  37.         clsoe(sockfd);
  38.         exit(EXIT_FAILURE);
  39.     }
  40.     cout<<"Server is listening on port "<<PORT<<endl;
  42.     while(true)
  43.     {
  44.         //接收消息
  45.         int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
  46.         buffer[n]='\0';
  47.         cout<<"Client:"<<buffer<<endl;
  49.         //响应消息
  50.         const char* message="Message received!!!";
  51.         sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
  52.     }
  53.     close(sockfd);
  56.     return 0;
  57. }
复制代码

  • UDP客户端代码实现
  1. #include <iostream>
  2. #include <string>
  3. #include <cstring>
  4. #include <sys/socket.h>
  5. #include <arpa/inet.h>
  6. #include <unistd.h>
  8. using namespace std;
  10. #define PORT 8080   // 端口号
  11. #define BUFFER_SIZE 1024  // 缓冲区大小
  12. #define IP "127.0.0.1"  //定义服务器地址
  14. int main()
  15. {
  16.     int sockfd;
  17.     char buffer[BUFFER_SIZE];
  18.     struct sockaddr_in server_addr;
  20.     //创建UDP套接字
  21.     sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  22.     if(sockfd <0)
  23.     {
  24.         cerr<<"Socket creation faliure"<<endl;
  25.         return -1;
  26.     }
  27.     //配置服务器地址
  28.     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
  29.     server_addr.sin_family = AF_INET;
  30.     server_addr.sin_port = htons(PORT);
  32.     //使用inet_pton将IP地址从字符串转换为网络字节序
  33.     if(inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr)<=0)
  34.     {
  35.         cerr<<"Invalid address/Address not supported"<<endl;
  36.         close(sockfd);
  37.         return -1;
  38.     }
  39.     while(true)
  40.     {
  41.         //发送消息到服务器
  42.         string message;
  43.         cout<<"Enter message: ";
  44.         getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入
  46.         //发送消息
  47.         int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
  48.         if(send_result<0)
  49.         {
  50.             cerr<<"Failed to send message"<<endl;
  51.             break;
  52.         }
  54.         //接收服务器的响应
  55.         socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
  56.         int n=recvform(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
  57.         if(n<0)
  58.         {
  59.             cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
  60.             break;
  61.         }
  62.         buffer[n]='\0';
  63.         cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
  64.     }
  65.     close(sockfd);
  68.     return 0;
  69. }
复制代码

  • Windows客户端的代码实现


  • 头文件和库的引入


    • 在Windows中须要引入winsock2.h和ws2tcpip.h，而且须要链接Ws2_32.lib库

  • Winsock初始化和清理


    • 在Windows中，使用网络功能之前须要调用WSAStartup（）举行初始化，使用完毕后须要调用WSACleanup（）释放资源

  • Windows和Linux之间的一些差异


    • close（）在Windows上对应的是closesocket（）



    • perroor（）函数在Windows上不常用，通常使用std：：cerr输堕落误

  1. #include <iostream>
  2. #include <string>
  3. #include <winsock2.h>
  4. #include <ws2tcpip.h>
  5. using namespace std;
  6. #pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")   //链接ws2_32.lib库
  8. #define PORT 8080   // 端口号
  9. #define BUFFER_SIZE 1024  // 缓冲区大小
  10. #define IP "127.0.0.1"  //定义服务器地址
  11. int main()
  12. {
  13.     WSADATA wsaData;   // 用于初始化WinSock
  14.     SOCKET sockfd;
  15.     char buffer[BUFFER_SIZE];
  16.     struct sockaddr_in server_addr;
  18.     //初始化WinSock
  19.     if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
  20.     {
  21.         cout << "WSAStartup failed." << endl;
  22.         return 1;
  23.     }
  25.     //创建UDP套接字
  26.     sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  27.     if (sockfd == INVALID_SOCKET)
  28.     {
  29.         cout << "socket failed." << endl;
  30.         WSACleanup();
  31.         return 1;
  32.     }
  34.     //配置服务器地址
  35.     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
  36.     server_addr.sin_family = AF_INET;
  37.     server_addr.sin_port = htons(PORT);
  38.     // inet_pton函数用于将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的二进制地址
  39.     if (inet_pton(AF_INET, IP, &server_addr.sin_addr) <= 0)
  40.     {
  41.         cout << "inet_pton failed." << endl;
  42.         closesocket(sockfd);
  43.         WSACleanup();
  44.         return 1;
  45.     }
  46.     while(true)
  47.     {
  48.         //发送消息到服务器
  49.         string message;
  50.         cout<<"Enter message: ";
  51.         getline(cin, message);//从标准输入读取用户输入
  53.         //发送消息
  54.         int send_result=sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
  55.         if(send_result<0)
  56.         {
  57.             cerr<<"Failed to send message"<<endl;
  58.             break;
  59.         }
  61.         //接收服务器的响应
  62.         socklen_t addrlen = sizeof(server_addr);//服务器地址长度
  63.         int n=recvfrom(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(struct sockaddr*)&server_addr,&addrlen);
  64.         if(n<0)
  65.         {
  66.             cerr<<"Failed to receive response"<<endl;
  67.             break;
  68.         }
  69.         buffer[n]='\0';
  70.         cout<<"Server response: "<<buffer<<endl;//输出服务器的响应
  71.     }
  72.     closesocket(sockfd);
  73.     WSACleanup();
  76. }
复制代码
六、函数细节


  • 关于recvform（）函数
    recvform（）函数是套接字编程中用于从他套接字吸收数据的一个函数，特别用于UDP协议下的数据吸收。它允许程序从一个未毗连的套接字（如UDP套接字）吸收数据报。下面是对recvform（）函数及其参数int n=recvform（sockfd，buffer，BUFFER_SIZE，0，nullptr，nullptr）;的详细解释：


  • 函数原型
  1. ssize_t recvform（int sockfd，void *buf，size_t len，int falgs，struct sockaddr *src_addr，socklen_t *addrlen）;
复制代码


  • 参数解释：


    • sockfd：套接字形貌符，这个套接字通常是通过socket（）函数创建的，而且绑定到了一个特定的端口（对于UDP来说）



    • buf：指定数据缓冲区的指针，这个缓冲区用于存储吸收到的数据。吸收的数据会被复制到这个缓冲区中



    • flags：标志位，用于修改recvform的举动，常用的标志包括MSG_PEEK（检察数据但不从队列中移除），MSG_WAITALL（请求阻塞操纵直到吸收到完整的请求数据，但这对于UDP来说通常不适用，由于UDP是无毗连的、数据报驱动的协议）等。



    • src_addr：：指向sockaddr结构体的指针，用于存储发送方的地址信息。假如不须要这个信息，可以通报nullptr。。。



    • addrlen：指向socklen_t变量的指针，该变量在带哦用前应该被初始化位src_addr所指向的地址结构的大小。在函数被调用后，这个变量会被更新为实际存储在src_addr中的地址结构的大小。假如src_addr是nullptr，则addrlen也应该是nullptr。

  • 返回值：recvform（）函数
    返回成功吸收到的字节数。假如返回0，表示毗连已正常关闭（但这对UDP来说并不常见，由于UDP是无毗连的），假如返回-1，表示发生了错误，错误范例可以通过errno来检查。

  • 关于memset
    memset是一个C/C++标准库函数，用于将一块内存区域的内容设置为指定的值。它通常用于初始化数组或结构体，以确保在使用这些数据之前内存中的内容是已知的。memset函数界说在（C++）中或《string.h》（C）头文件中。


  • 函数原型
  1. void * memset（void *ptr，int value，size_t num）;
复制代码


  • 参数说明


    • ptr：指向要设置的内存块的指针



    • value：要设置的值，这个值会被转换成unsigned char范例，而且将其填充到内存块中



    • num：要设置的字节数


  • 关于sendto（）函数
    sendto函数是套接字编程中用于发送数据的一个函数，特别适用于UDP协议下的数据发送。它允许程序向指定的地址发送数据报。


  • 函数原型
  1. ssize_t sendto（int sockfd ，const void *buf，size_t len，int flags,const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen）;
复制代码


  • 参数解释


    • sockfd：套接字形貌符，对于UDP来说，它可能还没有通过connect函数与特定的远程地址关联



    • buf：只想数据缓冲区的指针



    • len：指定了buf缓冲区的长度



    • flags：标志位，用于修改sendto的举动。常用的标志包括MSG_CONFIRM（请求确认消息已发送）、MSG_TROUTE（绕过路由表直接发送）等。



    • dest_addr：指向sockaddr结构体的指针，用于指定吸收方的地址信息。这个结构体包罗了目的主机的IP地址和端口号。

  • addrlen：指定了dest_addr所指向的地址结构的大小。这个值是通过sizeof操纵符获取的
  • 返回值：sendto（）函数返回成功发送的字节数。假如返回-1，表示发生了错误，错误范例可以通过errno来检查

  • WASDATA结构体
    WASDATA是Windows Sockets API（Winsock）中的一个结构体，包罗有关Windows Sockets的实现版本和系统的配置信息。在调用WSAStartup（）函数时，应用程序必须通报该结构体的指针，以便Winsock初始化并返回干系信息。


  • WSADATA结构体界说在<winsock2.h>头文件中，具体如下：
  1. typedef struct WSAData{
  2.         WORD wVersion；  //Winsock实现的版本号
  3.         WORD wHighVersion；//支持的最高版本号
  4.         char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1]；//描述Winsock的文本字符串
  5.         char szSystemStatus[WSASYSSTATUS_LEN+1]；//当前的状态或配置
  6.         unsigned short iMaxSockets;//系统支持的最大套接字数
  7.         unsigned short iMaxUdpDg；//支持的最大UDP数据报大小
  8.         char *IpVendorInfo；//供应商特定的信息       
  9. }WSADATA，*LPWSADATA;
复制代码
七、UDP的挑战








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