6.好事多磨 -- UDP网络连接

前言

我们通过第4节和第5节学习了TCP相关知识。TCP是内容相对较多的一种协议，而本节介绍的UDP则篇幅较短。虽然比TCP内容少，但在实际操作中很有用，希望大家认真学习。

一、理解UDP

我们在第4节学习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。

1.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。
ps：
我们把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。

2.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。

3.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TCP，TCP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，希望大家深人学习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，网络程序员若能深人理解TCP/IP协议则可大幅提高自身实力。

二、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。

1.UDP中的服务器端和客户端没有连接

UDP服务器端/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。

2.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筒可以比喻为UDP套接字。
只要附近有1个邮筒，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，

3.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。也就是说，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筒功能），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。

这个函数与之前的TCP输出函数最大的区别在于，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。

4.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，因此在某种意义上我们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。

// uecho_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    if(argc != 2){
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(serv_sock == -1)
        error_handling("UDP socket creation error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    while(1)
    {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        sendto(serv_sock, message, str_len, 0, (struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

■ 第24行：为了创建UDP套接字，向socket函数第二个参数传递SOCK_DGRAM。
■ 第39行：利用第33行分配的地址接收数据。不限制数据传输对象。
■ 第40行：通过第39行的函数调用同时获取数据传输端的地址。正是利用该地址将接收的数据逆向重传。
■ 第42行：第37行的while内部从未加入break语句，因此是无限循环。也就是说，close函数不会执行，没有太大意义。
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。

// uecho_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz;

    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    while (1)
    {
        fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
        fgets(message, sizeof(message), stdin);
        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;
        
        sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
        adr_sz = sizeof(from_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}	

■ 第19行：创建UDP套接字。现在只需调用数据收发函数。
■ 第38、40行：第38行向服务器端传输数据，第40行接收数据。
如果大家很好地理解了第4章节的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，那么，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。希望大家独立思考并进行推断，我们稍后再讨论，先给出程序的运行结果。


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。究竞在何时分配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。
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。

三、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。

1.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IVO函数的次数非常重要。因此，输人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次输人函数才能接收完。下面我们通过简单示例进行验证。

// bound_host1.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;

    if(argc != 2){
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sock == -1)
        error_handling("socket() error");
    
    memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
    my_adr.sin_family = AF_INET;
    my_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    my_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(sock, (struct sockaddr*)&my_adr, sizeof(my_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    for(i = 0; i < 3; ++i)
    {
        sleep(5);
        adr_sz = sizeof(your_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&your_adr, &adr_sz);

        printf("Message %d: %s \n", i + 1, message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}	

需要大家留意的是第30行中的for语句。首先在第32行中调用sleep函数，使程序停顿时间等于传递来的时间（以秒为单位）参数。也就是说，第30行的for循环中每隔5秒调用1次recvfrom函数。另外还添加了验证函数调用次数的语句。一会再讲解延迟执行程序的原因。
接下来的示例向之前的boundhostl.c传输数据，该示例共调用sendto函数3次以传输字符串数据。

// bound_host2.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char msg1[] = "Hi!";
    char msg2[] = "I'm another UDP host!";
    char msg3[] = "Nice to meet you";

    struct sockaddr_in your_adr;
    socklen_t your_adr_sz;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1)
    {
        error_handling("socket() error");
    }
    
    memset(&your_adr, 0, sizeof(your_adr));
    your_adr.sin_family = AF_INET;
    your_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    your_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
    sendto(sock, msg2, sizeof(msg2), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
    sendto(sock, msg3, sizeof(msg3), 0, (struct sockaddr*)&your_adr, sizeof(your_adr));
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}	

bound_host2.c程序3次调用sendto函数以传输数据，boundhostl.c则调用3次recvfrom函数以接
收数据。recvfrom函数调用间隔为5秒，因此，调用recvfrom函数前已调用了3次sendto函数。也就
是说，此时数据已经传输到boundhostl.c。如果是TCP程序，这时只需调用1次输人函数即可读人
数据。UDP则不同，在这种情况下也需要调用3次recvfrom函数。可通过以下运行结果进行验证。


5s后：

从运行结果，特别是bound_host1.c的运行结果中可以看出，共调用了3次recvfrom函数。这就证明必须在UDP通信过程中使I/O函数调用次数保持一致。
UDP套接字传输的数据包又称数据报，实际上数据报也属于数据包的一种。只是与TCP包不同，其本身可以成为1个完整数据。这与UDP的数据传输特性有关，UDP中存在数据边界，1个数据包即可成为1个完整数据，所以称为数据报。

2.已连接(connected)UDP套接字与未连接(unconnected)UDP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。

3.创建已连接UDP套接字

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。

sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr =· · ·
adr.sin_port=· · ·
connect(sock, (struct sockaddr *) &adr, sizeof(adr));

上述代码看似与TCP套接字创建过程一致，但socket函数的第二个参数分明是SOCK_DGRAM。也就是说，创建的的确是UDP套接字。当然，针对UDP套接字调用connect函数并不意味着要与对方UDP套接字连接，这只是向UDP套接字注册目标IP和端口信息。
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。
下个列示例将之前的uecho_client.c程序改成基于已连接UDP套接字的程序，因此可以结合uecho_server.c程序运行。另外，为便于说明，未直接删除uecho_client.c的I/O函数，而是添加了注释。

// uecho_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz; // 多余变量

    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr; // 不再需要from_adr
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    while (1)
    {
        fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
        fgets(message, sizeof(message), stdin);
        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;
        
        // sendto(sock, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
        write(sock, message, strlen(message));
        // adr_sz = sizeof(from_adr);
        // str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);
        str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}	

应该没必要给出运行结果和代码说明了吧。另外需要注意，代码中用write、read函数代替了sendto、recvfrom函数哦😀😀😀。

---

总结

这下关于TCP和UDP的知识大家都有所了解啦，以后我们就会更深入的学习了哦！