[置顶] linux网络编程之socket(十四):基于UDP协议的网络程序

一、下图是典型的UDP客户端/服务器通讯过程

下面依照通信流程,我们来实现一个UDP回射客户/服务器

  #include <sys/types.h>  #include <sys/socket.h>

 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);  ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

当套接字处于“已连接”的状态时,才可以使用send,当flags = 0 时 send 与 write 一致。

且 send(sockfd, buf, len, flags);  即  sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);

 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

recv 与 recvfrom 的关系与 send 与 sendto 的关系一致。

echoser_udp.c:

/*************************************************************************
    > File Name: echoser_udp.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

void echo_ser(int sock)
{
    char recvbuf[1024] = {0};
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen;
    int n;

    while (1)
    {

        peerlen = sizeof(peeraddr);
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0,
                     (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen);
        if (n == -1)
        {

            if (errno == EINTR)
                continue;

            ERR_EXIT("recvfrom error");
        }
        else if(n > 0)
        {

            fputs(recvbuf, stdout);
            sendto(sock, recvbuf, n, 0,
                   (struct sockaddr *)&peeraddr, peerlen);
        }
    }
    close(sock);
}

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket error");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind error");

    echo_ser(sock);

    return 0;
}

echocli_udp.c:

/*************************************************************************
    > File Name: echocli_udp.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sun 03 Mar 2013 06:13:55 PM CST
 ************************************************************************/

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
        do \
        { \
                perror(m); \
                exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0)

void echo_cli(int sock)
{
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    int ret;
    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] = {0};
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
    {

        sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

        ret = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);
        if (ret == -1)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            ERR_EXIT("recvfrom");
        }

        fputs(recvbuf, stdout);
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
    }

    close(sock);


}

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    echo_cli(sock);

    return 0;
}

编译运行server,在两个终端里各开一个client与server交互,可以看到server具有并发服务的能力。用Ctrl+C关闭server,然后再运行server,此时client还能和server联系上。和前面TCP程序的运行结果相比较,我们可以体会无连接的含义。udp 协议来说,server与client 的界限更模糊了,只要知道对等方地址(ip和port) 都可以主动发数据。

二、UDP编程注意点

1、UDP报文可能会丢失、重复 2、UDP报文可能会乱序 3、UDP缺乏流量控制 4、UDP协议数据报文截断 5、recvfrom返回0,不代表连接关闭,因为udp是无连接的。 6、ICMP异步错误 7、UDP connect 8、UDP外出接口的确定

9、太大的UDP包可能出现的问题

由于UDP不需要维护连接,程序逻辑简单了很多,但是UDP协议是不可靠的,实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现,即123点所提到的。比如 如果发送端速度较快,而接收端较慢,很可能会产生 ICMP Source Quench Error,丢弃一些数据包。

对于第4点,可以写个小程序测试一下:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
        do \
        { \
                perror(m); \
                exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0)

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind");

    sendto(sock, "ABCD", 4, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    char recvbuf[1];
    int n;
    int i;
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        /* udp是报式协议,即若一次性接收的空间小于发来的数据,有可能造成报文截断,
         * 但一定没有tcp的粘包问题  */
        n = recvfrom(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0, NULL, NULL);
        if (n == -1)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            ERR_EXIT("recvfrom");
        }
        else if(n > 0)
            printf("n=%d %c\n", n, recvbuf[0]);
    }
    return 0;
}

上述程序是自己发送数据给自己,发送了4个字节,但我们只提供1个字节的缓冲区recvbuf,第一次recvfrom 读取一个字节,但接下去循环却读不到剩下的数据了,因为udp 是报式协议,如果一次性接收的缓冲区小于发来的数据,有可能造成报文截断,反观tcp流式协议,可以一次读取一个数据包的一部分,也可以一次性读取多个数据包,但这也正是其会造成粘包问题的来源,所以也说udp 协议不会有粘包问题,因为一次就接收一个消息。输出如下:

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./trunc  n=1 A

............

接收了一个字符之后,再次recvfrom 就阻塞了。

对于第5点,如果我们使用sendto 发送的数据大小为0,则发送给对方的是只含有各层协议头部的数据帧,recvfrom 会返回0,但并不代表对方关闭连接,因为udp 本身没有连接的概念。

第678点合起来一起讲,可以看到我们的客户端程序现在没有调用connect,不运行服务器程序,直接运行客户端程序,查看现象:

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp  dfsaf

................

当我们在键盘敲入几个字符,sendto只是把Buf的数据拷贝到sock对应的缓冲区中,此时服务器未开启,协议栈返回一个ICMP异步错误,但因为前面没有调用connect“建立”一个连接,则recvfrom时不能收到这个错误而一直阻塞。现在我们在while 循环的外面添加一句:connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)); 再次测试一下:

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_udp  dfsaf recvfrom: Connection refused

此时recvfrom 就能接收到这个错误而返回了,并打印错误提示。

其实connect 并没有真正建立一个连接,即没有3次握手过程,只是维护了一种状态,绑定了远程地址,因为如此在调用sendto 时也可以不指定远程地址了,如 sendto(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0, NULL, 0);  甚至也可以使用send 函数

 send(sock, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);

假设现在客户端有多个ip地址,由connect 或 sendto 函数提供的远程地址的参数,系统会选择一个合适的出口,比如远程ip 是192.168.2.10, 而客户端现在的ip 有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么会自动选择192.168.2.75 这个ip 出去。

关于第9点。假设现在我们发送一个8192B 的IP数据报,必须分片传输,如果此时目的地址arp 并没有缓存,那么每一片都会发起arp 请求,此时会造成 arp flooding(RFC 建议的最大发送速率是每秒一次)。此时每一片都在等待arp reply,系统实现只会将最后一片发送到目的地(ARP input queue  was LIFO ),也就是说,其他片都被丢弃了。对等方的IP层当接收到第一个到来的片时(不一定是偏移为0的片)会启动定时器,如果在30~60s 内的超时时间内没有接收到所有的片,则会丢弃所有接收到的片。但需要注意的是不一定会产生 ICMP "time exceeded during reassembly" error (ICMP 超时错误类型为11,code为0表示是TTL为0超时,code为1表示对方重组分片超时),只有在已经接收到偏移为0的片,即包含udp头部的片时才会产生此种错误,因为这个时候ICMP报文的接收方通过头部(源端口号,如下ICMP超时报文的payload)才知道是哪个进程发送的这个IP报文被丢弃了。实际上有没有产生ICMP超时报文并不是那么重要,因为系统假设TCP层 或者使用UDP的应用程序最终会timeout 导致重传。

参考:

《Linux C 编程一站式学习》

《TCP/IP详解 卷一》

《UNP》

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