基于UDP的服务器端客户端

理解UDP

我们在第4章学习TCP的过程中还同时了解了TCP/IP协议栈。在4层TCP/IP模型中上数第二层传输Transport层分为TCP和UDP这2种。数据交换过程可以分为通过TCP套接字完成的TCP 方式和通过UDP套接字完成的UDP方式。

UDP 套接字的特点

下面通过信件说明UDP的工作原理这是讲解UDP时使用的传统示例它与UDP特性完全相符。寄信前应先在信封上填好寄信人和收信人的地址之后贴上邮票放进邮筒即可。当然信件的特点使我们无法确认对方是否收到。另外邮寄过程中也可能发生信件丢失的情况。也就是说信件是一种不可靠的传输方式。与之类似UDP提供的同样是不可靠的数据传输服务。

“既然如此TCP应该是更优质的协议吧”

如果只考虑可靠性TCP的确比UDP好。但UDP在结构上比TCP更简洁。UDP不会发送类似ACK的应答消息也不会像SEQ那样给数据包分配序号。因此UDP的性能有时比TCP高出很多。编程中实现UDP也比TCP简单。另外UDP的可靠性虽比不上TCP但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁。因此在更重视性能而非可靠性的情况下UDP是一种很好的选择。

既然如此UDP的作用到底是什么呢为了提供可靠的数据传输服务TCP在不可靠的IP层进行流控制而UDP就缺少这种流控制机制。

“UDP和TCP的差异只在于流控制机制吗”

是的流控制是区分UDP和TCP的最重要的标志。但若从TCP中除去流控制所剩内容也屈指可数。也就是说TCP的生命在于流控制。第5章讲过的"与对方套接字连接及断开连接过程"也属于流控制的一部分。

虽然电话比信件要快但是……

我把TCP比喻为电话把UDP比喻为信件。但这只是形容协议工作方式并没有包含数据交换速率。请不要误认为"电话的速度比信件快因此TCP 的数据收发速率也比 UDP 快"。实际上正好相反。TCP 的速度无法超过UDP但在收发某些类型的数据时有可能接近UDP。例如每次交换的数据量越大TCP的传输速率就越接近UDP的传输速率。

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

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的某一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的高效使用

虽然貌似大部分网络编程都基于TCP实现但也有一些是基于UDP实现的。接下来考虑何时使用UDP更有效。讲解前希望各位明白UDP也具有一定的可靠性。网络传输特性导致信息丢失频发可若要传递压缩文件发送1万个数据包时只要丢失1个就会产生问题则必须使用TCP因为压缩文件只要丢失一部分就很难解压。但通过网络实时传输视频或音频时的情况有所不同。对于多媒体数据而言丢失一部分也没有太大问题这只会引起短暂的画面抖动或出现细微的杂音。但因为需要提供实时服务速度就成为非常重要的因素。因此第5章的流控制就显得有些多余此时需要考虑使用UDP。但UDP并非每次都快于TCPTCP比UDP慢的原因通常有以下两点。

• 收发数据前后进行的连接设置及清除过程。
• 收发数据过程中为保证可靠性而添加的流控制。

如果收发的数据量小但需要频繁连接时UDP比TCP更高效。有机会的话希望各位深入学习TCP/IP协议的内部构造。C语言程序员懂得计算机结构和操作系统知识就能写出更好的程序同样网络程序员若能深入理解TCP/IP协议则可大幅提高自身实力。

实现基于UDP的服务器端/客户端

接下来通过之前介绍的UDP理论实现真正的程序。对于UDP而言只要能理解之前的内容实现并非难事。

UDP中的服务器端和客户端没有连接

UDP服务器端I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

TCP中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。但在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简可以比喻为UDP套接字。只要附近有1个邮简就可以通过它向任意地址寄出信件。同样只需1个UDP套接字就可以向任意主机传输数据。

也就是说只需1个UDP套接字就能和多台主机通信。

基于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简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。

#include <sys/socket.h>
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。

上述函数与之前的TCP输出函数最大的区别在于此函数需要向它传递目标地址信息。接下来介绍接收UDP数据的函数。UDP数据的发送端并不固定因此该函数定义为可接收发送端信息的形式也就是将同时返回UDP数据包中的发送端信息。

#include <sys/socket.h>
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buff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sockaddr结构体变量的地址值。
// addrlen      保存参数from的结构体变量长度的变量地址值。

编写UDP程序时最核心的部分就在于上述两个函数这也说明二者在UDP数据传输中的地位。

基于UDP的回声服务器端/客户端

下面结合之前的内容实现回声服务器。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希望各位不要误解。

#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

constexpr size_t BUF_SIZE = 1024;

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc != 2) {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] << std::endl;
        return 0;
    }

    // 创建UDP套接字
    int servSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (servSock == -1) {
        std::cout << "socket 错误" << std::endl;
        return 0;
    }

    // 初始化UDP服务端地址信息
    sockaddr_in servAdr;
    std::memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
    servAdr.sin_family = AF_INET;
    servAdr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servAdr.sin_port = htons(std::atoi(argv[1]));

    // 绑定UDP地址信息
    int stu = bind(servSock, (sockaddr*)&servAdr, sizeof(servAdr));
    if (stu == -1) {
        close(servSock);
        std::cout << "bind 错误" << std::endl;
        return 0;
    }

    char msg[BUF_SIZE] = { 0 };

    while (true) {
        sockaddr_in clntAdr;
        socklen_t szClntAdr = sizeof(clntAdr);
        int strLen = recvfrom(servSock, msg, BUF_SIZE, 0, (sockaddr*)&clntAdr, &szClntAdr);
        if (strLen == -1) {
            std::cout << "recvfrom 错误" << std::endl;
            continue;
        }
        std::string adrStr = inet_ntoa(clntAdr.sin_addr);
        msg[strLen] = 0;
        std::cout << "收到客户端" << adrStr << "的消息" << msg << std::endl;
        sendto(servSock, msg, strLen, 0, (sockaddr*)&clntAdr, szClntAdr);
    }

    close(servSock);

    return 0;
}

接下来介绍与上述服务器端协同工作的客户端。这部分代码与TCP客户端不同不存在connect函数调用。

#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

constexpr size_t BUF_SIZE = 1024;

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc != 3) {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] << " IP port" << std::endl;
        return 0;
    }

    // 创建UDP套接字
    int clntSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (clntSock == -1) {
        std::cout << "socket 错误" << std::endl;
        return 0;
    }

    // 初始化目标服务端地址信息
    sockaddr_in servAdr;
    std::memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
    servAdr.sin_family = AF_INET;
    servAdr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    servAdr.sin_port = htons(std::atoi(argv[2]));

    char buf[BUF_SIZE] = { 0 };
    // 不用连接直接发送消息
    while (true) {
        std::cout << "输入信息";
        std::string msg;
        std::cin >> msg;
        if (msg == "Q" || msg == "q") {
            break;
        }

        sendto(clntSock, msg.c_str(), msg.size(), 0, (sockaddr*)&servAdr, sizeof(servAdr));
        socklen_t szAdr = sizeof(servAdr);
        int strLen = recvfrom(clntSock, buf, BUF_SIZE, 0, (sockaddr*)&servAdr, &szAdr);
        buf[strLen] = 0;
        std::string adrStr = inet_ntoa(servAdr.sin_addr);
        std::cout << "从" << adrStr << "收到消息" << buf << std::endl;
    }

    close(clntSock);

    return 0;
}

若各位很好地理解了第4章的connect函数那么读上述代码时应有如下疑问

“TCP客户端套接字在调用connect函数时自动分配IP地址和端口号既然如此UDP 客户端何时分配IP地址和端口号”

所有套接字都应分配IP地址和端口问题是直接分配还是自动分配。

运行过程中的顺序并不重要。只需保证在调用sendto函数前sendto函数的目标主机程序已经开始运行。

UDP客户端套接字的地址分配

前面讲解了UDP服务器端/客户端的实现方法。但如果仔细观察UDP客户端会发现它缺少把IP和端口分配给套接字的过程。TCP客户端调用connect函数自动完成此过程而UDP中连能承担相同功能的函数调用语句都没有。究竟在何时分配IP和端口号呢

UDP程序中调用sendto函数传输数据前应完成对套接字的地址分配工作因此调用bind函数。当然bind函数在TCP程序中出现过但bind函数不区分TCP和UDP也就是说在UDP程序中同样可以调用。另外如果调用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。

综上所述调用sendto函数时自动分配IP和端口号因此UDP客户端中通常无需额外的地址分配过程。所以之前示例中省略了该过程这也是普遍的实现方式。

UDP的数据传输特性和调用connect函数

我们之前通过示例验证了TCP传输的数据不存在数据边界本节将验证UDP数据传输中存在数据边界。最后讨论UDP中connect函数的调用以此结束UDP相关讨论。

存在数据边界的UDP套接字

前面说过TCP数据传输中不存在边界这表示"数据传输过程中调用I/O函数的次数不具有任何意义。”

相反UDP是具有数据边界的协议传输中调用I/O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。例如调用3次输出函数发送的数据必须通过调用3次输入函数才能接收完。

已连接connectedUDP套接字与未连接unconnectedUDP套接字

TCP套接字中需注册待传输数据的目标IP和端口号而UDP中则无需注册。因此通过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。

每次调用sendto函数时重复上述过程。每次都变更目标地址因此可以重复利用同一UDP套接字向不同目标传输数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字反之注册了目标地址的套接字称为连接connected套接字。显然UDP套接字默认属于未连接套接字。但UDP 套接字在下述情况下显得不太合理

“IP为211.210.147.82的主机82号端口共准备了3个数据调用3次sendto函数进行传输。”

此时需重复3次上述三阶段。因此要与同一主机进行长时间通信时将UDP套接字变成已连接套接字会提高效率。上述三个阶段中第一个和第三个阶段占整个通信过程近1/3的时间缩短这部分时间将大大提高整体性能。

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。

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。