====== 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：

<code c>
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];

};
</code>

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：

<code c>
#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;

}
</code>

===== 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：
<code c>
#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;

}
</code>

===== 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：
<code shell>
gcc -Wall -o udpserv udpserv.c

gcc -Wall -o udpclient udpclient.c
</code>
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：
<code>
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:*
</code>

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：
<code>
bind error: Address already in use
</code>
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：
<code>
Hello, World!

Hello, World!

this is a test

this is a test

^d
</code>
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：
<code shell>

====== 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;
}
</code>


$ ./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 =====
<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;
}
</code>