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Socket UDP 詳解
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- UDP Client

Socket UDP 詳解

和TCP套接字一樣，UDP套接字也通過socket( )函數創建，不同的是UDP套接字可以通過一個套接字描述符在不同的主機之間發送和接收報文。

創建UDP客戶端的典型過程為：首先調用socket( )函數，接下來定義發送和接收數據的遠程主機和端口，然後將套接字傳遞給 connect( )函數。套接字描述符在後面會用於發送和接收數據。除此之外，發送數據的目標主機和端口可以在數據「寫入」時指定，這樣就可以用一個套接字發送數據到多個主機。

UDP數據報的發送可以使用write( )、send( )或sendto( )函數。如果使用write( )或send( )，則必須事先以UDP套接字為參數調用 connect( )函數，此外，如果使用sendto( )函數則可以在發送數據時再指定目標地址及端口。接收UDP數據報可以使用read( )、 recv( )或recvfrom( )函數。如果使用read( )或recv( )，則必須事先調用connect( )函數；如果使用recvfrom( )，則可以在接收數據報時獲得源IP地址和端口。

與TCP不同的是，在UDP套接字上收發的數據是作為單獨的單元接收或發送的，而不是作為字節流。每次調用write( )、send( )、或 sendto( )函數都會在線路上產生一個UDP數據報。接收到的UDP數據報的讀取也是一個單獨的操作，如果讀取報文時提供的緩衝區長度不夠，則會返回一個出錯代碼。

如果UDP數據報的長度超出了本地或者任意一個必經的網絡上的最大片長度，則必須進行分段，這在性能上會有不良影響，因此有些操作系統對此做了限制或者不予支持。

一、引言

UDP是TCP/IP協議中的傳輸層協議的一種，本文介紹了在Linux下編寫基於UDP協議的Client/Server模型的程序的方法，並給出了一個echo Client/Server例子程序。

二、UDP協議簡介

UDP是一種簡單的傳輸層協議，在RFC768中有詳細描述。UDP協議是一種非連接的、不可靠的數據報文協議，完全不同於提供面向連接的、可靠的字節流的TCP協議。雖然UDP有很多不足，但是還是有很多網絡程序使用它，例如DNS（域名解析服務）、NFS（網絡文件系統）、SNMP（簡單網絡管理協議）等。

通常，UDP Client程序不和Server程序建立連接，而是直接使用sendto()來發送數據。同樣，UDP Server程序不需要允許Client程序的連接，而是直接使用recvfrom()來等待直到接收到Client程序發送來的數據。

這裡，我們使用一個簡單的echo Client/Server程序來介紹在Linux下編寫UDP程序的方法。Client程序從stdin讀取數據並通過網絡發送到Server程序，Server程序在收到數據後直接再發送回Client程序，Client程序收到Server發回的數據後再從stdout輸出。

三、UDP Server程序

1、編寫UDP Server程序的步驟

(1)使用socket()來建立一個UDP socket，第二個參數為SOCK_DGRAM。

(2)初始化sockaddr_in結構的變量，並賦值。sockaddr_in結構定義：

struct sockaddr_in {
 
uint8_t sin_len;
 
sa_family_t sin_family;
 
in_port_t sin_port;
 
struct in_addr sin_addr;
 
char sin_zero[8];
 
};

這裡使用「08」作為服務程序的端口，使用「INADDR_ANY」作為綁定的IP地址即任何主機上的地址。

(3)使用bind()把上面的socket和定義的IP地址和端口綁定。這裡檢查bind()是否執行成功，如果有錯誤就退出。這樣可以防止服務程序重複運行的問題。

(4)進入無限循環程序，使用recvfrom()進入等待狀態，直到接收到客戶程序發送的數據，就處理收到的數據，並向客戶程序發送反饋。這裡是直接把收到的數據發回給客戶程序。

2、udpserv.c程序內容：

#include <sys/types.h>
 
#include <sys/socket.h>
 
#include <string.h>
 
#include <netinet/in.h>
 
#include <stdio.h>
 
#include <stdlib.h>
 
#define MAXLINE 80
 
#define SERV_PORT 8888
 
void do_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
 
{
 
int n;
 
socklen_t len;
 
char mesg[MAXLINE];
 
for(;;)
 
{
 
len = clilen;
 
/* waiting for receive data */
 
n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
 
/* sent data back to client */
 
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
 
}
 
}
 
int main(void)
 
{
 
int sockfd;
 
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
 
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* create a socket */
 
/* init servaddr */
 
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
 
servaddr.sin_family = AF_INET;
 
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 
/* bind address and port to socket */
 
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
 
{
 
perror("bind error");
 
exit(1);
 
}
 
do_echo(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
 
return 0;
 
}

四、UDP Client程序

1、編寫UDP Client程序的步驟

(1)初始化sockaddr_in結構的變量，並賦值。這裡使用「8888」作為連接的服務程序的端口，從命令行參數讀取IP地址，並且判斷IP地址是否符合要求。

(2)使用socket()來建立一個UDP socket，第二個參數為SOCK_DGRAM。

(3)使用connect()來建立與服務程序的連接。與TCP協議不同，UDP的connect()並沒有與服務程序三次握手。上面我們說了UDP是非連接的，實際上也可以是連接的。使用連接的UDP，kernel可以直接返回錯誤信息給用戶程序，從而避免由於沒有接收到數據而導致調用recvfrom()一直等待下去，看上去好像客戶程序沒有反應一樣。

(4)向服務程序發送數據，因為使用連接的UDP，所以使用write()來替代sendto()。這裡的數據直接從標準輸入讀取用戶輸入。

(5)接收服務程序發回的數據，同樣使用read()來替代recvfrom()。

(6)處理接收到的數據，這裡是直接輸出到標準輸出上。

2、udpclient.c程序內容：

#include <sys/types.h>
 
#include <sys/socket.h>
 
#include <string.h>
 
#include <netinet/in.h>
 
#include <stdio.h>
 
#include <stdlib.h>
 
#include <arpa/inet.h>
 
#include <unistd.h>
 
#define MAXLINE 80
 
#define SERV_PORT 8888
 
void do_cli(FILE *fp, int sockfd, struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
 
{
 
int n;
 
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
 
/* connect to server */
 
if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen) == -1)
 
{
 
perror("connect error");
 
exit(1);
 
}
 
while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
 
{
 
/* read a line and send to server */
 
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
 
/* receive data from server */
 
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
 
if(n == -1)
 
{
 
perror("read error");
 
exit(1);
 
}
 
recvline[n] = 0; /* terminate string */
 
fputs(recvline, stdout);
 
}
 
}
 
int main(int argc, char **argv)
 
{
 
int sockfd;
 
struct sockaddr_in srvaddr;
 
/* check args */
 
if(argc != 2)
 
{
 
printf("usage: udpclient <IPaddress>/n");
 
exit(1);
 
}
 
/* init servaddr */
 
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
 
servaddr.sin_family = AF_INET;
 
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 
if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
 
{
 
printf("[%s] is not a valid IPaddress/n", argv[1]);
 
exit(1);
 
}
 
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
do_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
 
return 0;
 
}

五、運行例子程序

1、編譯例子程序

使用如下命令來編譯例子程序：

gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
 
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c

編譯完成生成了udpserv和udpclient兩個可執行程序。

2、運行UDP Server程序

執行./udpserv &命令來啟動服務程序。我們可以使用netstat -ln命令來觀察服務程序綁定的IP地址和端口，部分輸出信息如下：

Active Internet connections (only servers)

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State

tcp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 0.0.0.0:6000 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN

udp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:8888 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:882 0.0.0.0:*

可以看到udp處有「0.0.0.0:8888」的內容，說明服務程序已經正常運行，可以接收主機上任何IP地址且端口為8888的數據。

如果這時再執行./udpserv &命令，就會看到如下信息：

bind error: Address already in use

說明已經有一個服務程序在運行了。

3、運行UDP Client程序

執行./udpclient 127.0.0.1命令來啟動客戶程序，使用127.0.0.1來連接服務程序，執行效果如下：

Hello, World!

Hello, World!

this is a test

this is a test

^d

輸入的數據都正確從服務程序返回了，按ctrl+d可以結束輸入，退出程序。

如果服務程序沒有啟動，而執行客戶程序，就會看到如下信息：

====== 改寫 ======
===== UDP Client =====
<code c discovery.c>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <ctype.h>
 
 
#define SERVERPORT 14675
#define MAXLINE 128
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in their_addr;
	struct hostent *he;
	int i,j,sendline_count,numbytes;
	int broadcast = 1;
	unsigned char sendline[MAXLINE];
 
	if (argc != 5) {
		printf("usage: Model_Name Device_Name Workgroup Firmware_version\n");
		exit(1);
	}
 
	if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
		perror("socket");
		exit(1);
	}
 
	// this call is the difference between this program and talker.c:
	if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast,
		sizeof broadcast) == -1) {
		perror("setsockopt (SO_BROADCAST)");
		exit(1);
	}
 
	their_addr.sin_family = AF_INET;	 // for IPv4
	their_addr.sin_port = htons(SERVERPORT); // Host to Network Short
	//their_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST; //INADDR_BROADCAST address (255.255.255.255) 若有雙網卡, 則須看 route 指定的 0.0.0.0 的 interface
	//their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.24"); // 到 192.168.100.24
	their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.255"); // 到 192.168.100.x
	memset(their_addr.sin_zero, '\0', sizeof their_addr.sin_zero);
	memset(sendline, 0x0, 71);
 
	//分別將 Modelname, DeviceName, GroupName, Version 填入sendline中
	sendline_count = 0; 
	for(j=1; j<5; j++)
	{
		char tmp[30];
		strcpy(tmp,argv[j]);
		for(i=0; i<strlen(tmp); i++)
		{
			sendline[i+sendline_count] = tmp[i];
		}
		//分隔字元
		sendline[sendline_count+strlen(tmp)] = 0x2;
 
		//設定目前 sendline 長度
		sendline_count += strlen(tmp);
		sendline_count++;
 
		//printf("%s,%i --> %s\n",tmp,sendline_count,sendline);
	}
 
	if ((numbytes=sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0,
			 (struct sockaddr *)&their_addr, sizeof their_addr)) == -1) {
		perror("sendto");
		exit(1);
	}
 
  shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
	close(sockfd);
 
	return 0;
}

$ ./udpclient 127.0.0.1

test

read error: Connection refused </code> 說明指定的IP地址和端口沒有服務程序綁定，客戶程序就退出了。這就是使用connect()的好處，注意，這裡錯誤信息是在向服務程序發送數據後收到的，而不是在調用connect()時。如果你使用tcpdump程序來抓包，會發現收到的是ICMP的錯誤信息。

改寫

UDP Client

discovery.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <ctype.h>
 
 
#define SERVERPORT 14675
#define MAXLINE 128
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in their_addr;
	struct hostent *he;
	int i,j,sendline_count,numbytes;
	int broadcast = 1;
	unsigned char sendline[MAXLINE];
 
	if (argc != 5) {
		printf("usage: Model_Name Device_Name Workgroup Firmware_version\n");
		exit(1);
	}
 
	if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
		perror("socket");
		exit(1);
	}
 
	// this call is the difference between this program and talker.c:
	if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast,
		sizeof broadcast) == -1) {
		perror("setsockopt (SO_BROADCAST)");
		exit(1);
	}
 
	their_addr.sin_family = AF_INET;	 // for IPv4
	their_addr.sin_port = htons(SERVERPORT); // Host to Network Short
	//their_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST; //INADDR_BROADCAST address (255.255.255.255) 若有雙網卡, 則須看 route 指定的 0.0.0.0 的 interface
	//their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.24"); // 到 192.168.100.24
	their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.255"); // 到 192.168.100.x
	memset(their_addr.sin_zero, '\0', sizeof their_addr.sin_zero);
	memset(sendline, 0x0, 71);
 
	//分別將 Modelname, DeviceName, GroupName, Version 填入sendline中
	sendline_count = 0; 
	for(j=1; j<5; j++)
	{
		char tmp[30];
		strcpy(tmp,argv[j]);
		for(i=0; i<strlen(tmp); i++)
		{
			sendline[i+sendline_count] = tmp[i];
		}
		//分隔字元
		sendline[sendline_count+strlen(tmp)] = 0x2;
 
		//設定目前 sendline 長度
		sendline_count += strlen(tmp);
		sendline_count++;
 
		//printf("%s,%i --> %s\n",tmp,sendline_count,sendline);
	}
 
	if ((numbytes=sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0,
			 (struct sockaddr *)&their_addr, sizeof their_addr)) == -1) {
		perror("sendto");
		exit(1);
	}
 
  shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
	close(sockfd);
 
	return 0;
}

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