【Linux】Socket编程——UDP版

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux——udpsocket

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一、预备理论知识

• 计算机之间通过网络进行数据的传输(Socket通信)，本质上是：两个计算机的两个进程间进行通信（进程是人的代表）
  • 两个网络进程间通信，看到的同一份资源是网路
  • 每个数据的发送和接收都必须经过套接字（socket）
    • 套接字负责维护网络通信的各种信息（如本地/远程地址、端口、协议类型等）。
    • 操作系统通过套接字来区分不同的网络连接和数据流。
    • 只有通过套接字，操作系统才能知道数据要发到哪里、从哪里收。
  • IP 用来标识是哪一台主机，Port端口号用来标识是主机上的哪一个进程
  • 一个端口号只能被一个进程占用，但是一个进程可以绑定多个端口号
• 如何理解绑定？
  • 我们可以认为传输层有一张元素为：<端口号, 进程链表> 的hash
  • 当一个进程要和一个端口号绑定的时候，就会被加入到对应端口号的链表当中
  • 当收到网络传输过来的报文以后，就会提取(传输层有多种协议)其中的目的端口，然后去hash里面找到对应的进程（把数据交给对应的进程）

二、重要接口

1. socket

创建网络套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);

• domain：协议族，确定网络层使用的协议
  • 可以选：AF_INET(IPv4 协议)，AF_INET6(IPv6 协议)…
• type：套接字类型（常用的如下）
  • SOCK_DGRAM：无连接的 UDP 协议
  • SOCK_STREAM：面向连接的 TCP 协议
• protocol：通常用 0 就行

TCP 是面向连接、可靠的字节流传输协议（需三次握手建立连接，数据无丢失、有序到达），而 UDP 是无连接、不可靠的数据包传输协议（无需建立连接，数据可能丢失、无序，但是 更简单，更快）

2. 发 / 收信息

向指定的IP和端口发消息

// ssize_t 是一个有符号整数类型
ssize_t sendto(int sockfd,          // 已绑定的套接字描述符const void *buf,     // 要发送数据的缓冲区size_t len,          // 数据长度 int flags,           // 发送标志const struct sockaddr *dest_addr,  // 目标地址结构指针socklen_t addrlen);  // 目标地址结构的长度

从指定 IP 和端口接收信息，将数据从内核层的Socket接收到用户层的缓冲区

ssize_t recvfrom(int sockfd,  // 从哪个套接字接收(远端传来的数据是先存到套接字缓冲区的)void *buf,   size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr,  // 接收到的数据来自哪个地址（对端地址）socklen_t *addrlen);

两个sockfd是一个东西，通过它向服务端发送数据，也通过它接收服务端返回的数据。

3. sockaddr结构体

struct sockaddr是一个C语言版本的“基类”（我们在传递参数的时候，要强转成：struct sockaddr*）

绑定IP和端口号就是填充对应不同协议的结构体，填充IPV4的struct sockaddr_in：

• sin_family：地址家族
• sin_port ：端口号
• sin_addr.s_addr：IP（在sockaddr_in里面专门用一个sin_addr来管理IP，里面有本地主机以 uint32_t 存储的IPs_addr）

4. bind

bind() 是一个核心系统调用，用于将套接字（socket）与特定的 IP 地址和端口号绑定，从而让程序能够在指定的地址和端口上接收网络请求。

int bind(int sockfd,  // 套接字描述符const struct sockaddr *addr,  // sockaddr 结构体socklen_t addrlen);  // addr 结构体的长度

5. 本地和网络的序列转换

关于大小端存储：
不同的机器，可能会用不同的方案（大小端）来存储IP，为了统一，网络规定，发到网络上的必须是大端的。所以需要转换。

• 主机转网络
  • htons接口：将 16 位端口号 从主机字节序转换为网络字节序（大端序，内部会自行判断是否需要转换）
  • inet_pton：转IP，将字符串形式的IP地址转换成网络序列
• 网络转主机（是上面的逆操作）：
  • ntohs：转端口
  • inet_ntop：转 IP

示例：

// 处理 IPv4
struct in_addr ipv4_addr;
if (inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &ipv4_addr) == 1) {// 转换成功
}// 处理 IPv6
struct in6_addr ipv6_addr;
if (inet_pton(AF_INET6, "2001:db8::1", &ipv6_addr) == 1) {// 转换成功
}

转换好的结果会被存在ipv6_addr这个结构体里面

三、理解通信流程

服务端工作流程

• 创建套接字：服务端首先创建一个 UDP 套接字
• 绑定地址：服务端将套接字绑定到特定的 IP 地址和端口
• 接收数据：服务端使用 recvfrom() 函数从该套接字接收数据

客户端工作流程

• 创建套接字：客户端创建自己的 UDP 套接字
• 准备目标地址：客户端构造包含服务端 IP 地址和端口的 sockaddr_in 结构体
• 发送数据：客户端调用 sendto() 函数，指定目标地址（通过绑定的 sockaddr_in），将数据发送到服务端

关键点

• 服务端绑定：服务端必须绑定到固定地址，因为客户端要明确目标
  • 为了让服务端套接字监听主机的所有可用网络接口，我们可以绑定INADDR_ANY（假如服务器有多个网卡，多个IP，绑定INADDR_ANY后，客户端无论是通过哪个IP访问，服务器都能接收）
• 客户端不需要绑定：在 UDP 通信中，客户端通常不需要显式绑定地址，第一次sendto时，操作系统会自动分配一个临时端口

套接字通信的工作原理
客户端和服务端的套接字是完全不同的实体。
当客户端调用 sendto() 时：

1. 操作系统通过 sockfd 参数知道数据从哪个本地套接字发出
2. 通过 dest_addr 参数知道数据要发送到哪个远程地址
3. 操作系统自动为该套接字分配一个临时端口（如果尚未分配）
4. 数据包中包含源 IP、源端口、目标 IP 和目标端口

当服务端接收到数据包时：

1. 操作系统根据目标 IP 和端口，将数据包路由到绑定到该地址的套接字
2. (对应目标IP和端口的) 服务端可以通过 recvfrom() 获取发送方的 IP 和端口信息
3. 服务端可以使用这些信息，通过同一个或不同的套接字回复客户端

sendto函数里面，我们要传入要发送的信息的buffer，这个信息先被复制到套接字 sockfd 里面，然后（如果客户端没有绑定IP和端口，系统会自动分配）将信息和操作系统自动分配的源IP和端口，以及目标IP和端口（以及添加UDP头部…等等，也就是添加报头）一起打包成一个数据包然后再发送到 sockaddr_in 指向的目标地址

客户端应用程序    →    客户端套接字缓冲区    →    网络    →    服务端套接字缓冲区    →    服务端应用程序
(数据)            (数据复制)               (数据包)     (数据复制)               (数据)

四，实操案例

1. 单词翻译

代码有点太长了，如果有需要，可以访问我的Github
注意：

• 公网IP其实没有配置到我们机器的IP上，无法被bind
• 本地环回:要求c、s必须在一台机器上，表明我们是本地通信，client发送的数据，不会被推送到网络而是在OS内部，转一圈直接交给对应的服务器端（常用于网络代码的测试）

运行结果：

客户端：

服务端：

2. 简单群聊

获取代码 → 点击

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