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《LINUX系统编程》笔记p13

news 2025/9/17 15:38:32

UDP通信

UDP (User Datagram Protocol）

特点：无连接、不可靠、数据报协议。

用途：用于不需要可靠连接，但实时性要求比较强的场合，如音视频数据的网络播放。

UDP协议头

创建套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);
// 参数
//    domain是网络层协议
//       AF_NET：IPv4
//       AF_NET6：IPv6
//    type: 传输层协议类型
//       SOCK_STREAM  TCP协议(数据流协议）
//       SOCK_DGRAM   UDP协议（数据报文协议)
//    protocal: 子协议，用于其他协议，一般为0.
// 返回值：套接字的文件描述符

发送数据函数 sendto

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);// 参数
//    sockfd UDP套接字
//    buf 发送缓冲区。
//    len 发送的字节数（不能为零）。
//    flags: 标记位，默认为零。
//    dest_addr: 目标地址的 IPv4 地址族结构。
//    addrlen: 目标地址的 IPv4 地址族结构的长度。
// 返回值：返回发送的字节数，错误返回-1同时设置错误号。

接收数据的函数recvfrom

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>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);
// 参数
//    sockfd UDP套接字
//    buf 接收缓冲区。
//    len 接收缓冲区的长度。
//    flags: 标记位，默认为零。
//    dest_addr: 发送方地址的 IPv4 地址族结构。
//    addrlen: 发送方地址的 IPv4 地址族结构的长度的地址。
// 返回值：返回发送的字节数，错误返回-1同时设置错误号。

关闭套接字

close(sock_fd);

udp客户端代码示例

// UDP 客户端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define SERVER_IP "192.144.206.112"
#define SERVER_PORT 6666#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  // 服务器端IPv4地址族结构struct sockaddr_in cin;  // 客户端IPv4地址族结构char buf_read[BUF_SIZE];  // 读数据缓冲区char buf_write[BUF_SIZE];  // 写数据缓冲区// 创建套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");}sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(SERVER_PORT);inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &sin.sin_addr);// 与服务器端通信while(1) {ret = read(0, buf_write, BUF_SIZE);buf_write[ret-1] = 0;// 将buf_write的内容发送给,服务器端.ret = sendto(sock_fd, buf_write, strlen(buf_write), 0, (struct sockaddr*)&sin, sizeof(sin));if (-1 == ret) {perror("sendto");break;}if(0 == strcmp("exit", buf_write))break;ret = recv(sock_fd, buf_read, BUF_SIZE-1, 0);buf_read[ret] = 0;printf("服务器回复:%s\n", buf_read);}// 断开连接 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

udp服务器端代码

// UDP 服务器端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define SERVER_IP "192.144.206.112"
#define SERVER_PORT 6666#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  // 服务器端IPv4地址族结构struct sockaddr_in cin;  // 客户端IPv4地址族结构char buf_read[BUF_SIZE];  // 读数据缓冲区char buf_write[BUF_SIZE];  // 写数据缓冲区// 创建套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");}sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(SERVER_PORT);sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &sin.sin_addr);ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&sin,sizeof(sin));if (-1 == ret) {perror("bind");close(sock_fd);return 1;}// 与服务器端通信while(1) {socklen_t cin_len = sizeof(cin);// cin 用来保存客户端地址ret = recvfrom(sock_fd, buf_read, BUF_SIZE-1, 0,(struct sockaddr*)&cin, &cin_len);// 打印客户端的IP地址和端口号printf("客户端IP：%s, 端口号:%d\n",inet_ntop(AF_INET, &cin.sin_addr, buf_write,BUF_SIZE), ntohs(cin.sin_port));buf_read[ret] = 0;if (0 == strcmp("hello", buf_read)) {strcpy(buf_write, "Hi");} else  {strcpy(buf_write,"I don't know what you said!");}ret = sendto(sock_fd, buf_write, strlen(buf_write), 0, (struct sockaddr*)&cin, sizeof(cin));if (-1 == ret) {perror("sendto");break;}}// 断开连接 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

UDP链接图示

广播

局域网内一对多的UDP传输方式。

广播地址：

255.255.255.255 所有的网络设备都发送
IP地址 | ~子网掩码
如: 192.168.1.100 | ~255.255.255.0.的广播地址是
192.168.1.255

设置和获取套接字选项

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
// 参数
//    sockfd 套接字
//    level 套接字层：如 SOL_SOCKET、IPPROTO_IP
//    optname 选项名：
//         SO_REUSEADDR  让端口号可以重复绑定
//         IP_ADD_MEMBERSHIP 加入多播组
//         IP_DROP_MEMBERSHIP  退出多播组
//    optval: 选项值。
//    optlen: 选项值的内存长度。
// 返回值：返回发送的字节数，错误返回-1同时设置错误号。

广播接收端示例代码

// UDP 广播接收端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define BROADCAST_PORT 6666#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  // 服务器端IPv4地址族结构struct sockaddr_in cin;  // 客户端IPv4地址族结构char buf_read[BUF_SIZE];  // 读数据缓冲区// char buf_write[BUF_SIZE];  // 写数据缓冲区int reuse_enble = 1;  // 值为 1 表示同意int cin_len = sizeof(cin);  // cin的长度// 创建UDP套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");return 1;}// 设置套接字选项，允许多个进程绑定到同一个端口ret = setsockopt(sock_fd,  SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse_enble, sizeof(reuse_enble));if (-1 == ret) {perror("setsockopt");return 2;}//绑定本局域网内的某个广播用的端口号.sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr*) &sin, sizeof(sin));if (-1 == ret) {perror("bind");return 3;}printf("准备接收广播...\n");// 与服务器端通信while(1) {ret = recvfrom(sock_fd, buf_read, BUF_SIZE-1, 0, (struct sockaddr*)&cin, &cin_len);buf_read[ret] = 0;printf("收到广播:%s\n", buf_read);if (0 == strcmp("exit", buf_read))break;char buf[20];printf("发送者IP：%s, 端口号:%d\n",inet_ntop(AF_INET, &cin.sin_addr, buf,20),ntohs(cin.sin_port));}// 断开连接 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

UDP 广播发送端实现

// UDP 广播发送端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define BROADCAST_IP "255.255.255.255"
// #define BROADCAST_IP "10.11.9.255"
// #define BROADCAST_IP "127.0.0.255"
#define BROADCAST_PORT 6666#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  // 服务器端IPv4地址族结构char buf_write[BUF_SIZE];  // 写数据缓冲区int broadcast_enble = 1;  // 值为 1 表示同意// 创建UDP套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");return 1;}// 设置套接字选项，允许广播ret = setsockopt(sock_fd,  SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_enble, sizeof(broadcast_enble));if (-1 == ret) {perror("setsockopt");return 2;}//设置广播用的IP和端口号信息sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);// sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;inet_pton(AF_INET, BROADCAST_IP, &sin.sin_addr);printf("准备发送广播...\n");// 循环广播 60 秒后退出for (int i = 0; i < 60; i++) {sprintf(buf_write, "广播数字:%d", i);ret = sendto(sock_fd, buf_write, strlen(buf_write), 0, (struct sockaddr*)&sin, sizeof(sin));if (-1 == ret) {close(sock_fd);return 1;}sleep(1);}// 断开连接 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

多播

什么是多播
多播，也叫组播，是一种网络数据包传输方式，它允许一个发送者向一组特定的接收者发送数据包。

单播、广播、多播

单播
方式： 一对一通信。发送者为每一个接收者都发送一份独立的数据副本。
比喻： 打电话。如果你想通知10个人，你需要打10个电话，把同样的话说10遍。
缺点： 当接收者数量巨大时（如视频直播有百万观众），发送者和网络链路的压力会呈指数级增长，效率极低，浪费带宽。

广播
方式： 一对所有通信。发送者把数据发到网络中的所有设备，无论它们是否需要。
比喻： 大喇叭广播。
缺点： 安全性差（所有人都能收到），会干扰不需要该数据的设备，而且路由器默认会隔离广播域，意味着广播包通常无法跨越网段（如从公司财务部网络传到研发部网络），因此不能用于互联网范围的传输。

多播

方式： 一对一组通信。发送者只发送一份数据副本。网络中的路由器（如果配置了多播路由）会负责根据需要将数据复制并转发给有接收者的分支路径。
比喻： 杂志资料，给每个省，每个省自己复制在下发给需要的县、县在复制给需要的人。
优点： 极大节省了发送者和网络带宽。无论组内有多少接收者，发送者都只发送一份数据。只有在网络路径需要分叉时，路由器才会复制数据包。

多播组地址：这是一个逻辑上的组，用一个IP地址来标识。

IPv4中，多播地址合法的范围是 224.0.0.0 到 239.255.255.255。

一般 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 常用于开发测试（相当于局域网的多播地址），测试时不会和公网数据冲突。

UDP 多播接收端实现

// UDP 多播接收端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.10" // 标准多播地址
#define MULTICAST_PORT 6666
#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  //IPv4地址族结构struct sockaddr_in cin;  //IPv4地址族结构int cin_len = sizeof(cin);int reuse_enble = 1;struct ip_mreq mreq;  // 多播放组请求结构char buf_read[BUF_SIZE];  // 读数据缓冲区// 创建UDP套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");return 1;}// 设置套接字选项，允许多个进程绑定到同一个端口ret = setsockopt(sock_fd,  SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse_enble, sizeof(reuse_enble));if (-1 == ret) {perror("setsockopt");return 2;}//绑定本局域网内的某个多播用的端口号.sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr*) &sin, sizeof(sin));if (-1 == ret) {perror("bind");return 3;}// 加入多播(组播)inet_pton(AF_INET, MULTICAST_GROUP, &mreq.imr_multiaddr.s_addr);  // 设置多播组的地址mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;  // 设置本机器的地址。ret = setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));if (-1 == ret) {perror("setsockopt"); // 加入多播组失败.return 4;}printf("准备接收多播(组播)...\n");// 与服务器端通信while(1) {ret = recvfrom(sock_fd, buf_read, BUF_SIZE-1, 0, (struct sockaddr*)&cin, &cin_len);buf_read[ret] = 0;printf("收到广播:%s\n", buf_read);if (0 == strcmp("exit", buf_read))break;char buf[20];printf("发送者IP：%s, 端口号:%d\n",inet_ntop(AF_INET, &cin.sin_addr, buf,20),ntohs(cin.sin_port));}// 退出多播(组播)inet_pton(AF_INET, MULTICAST_GROUP, &mreq.imr_multiaddr.s_addr);  // 设置多播组的地址mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;  // 设置本机器的地址。ret = setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));if (-1 == ret) {perror("setsockopt"); // 加入多播组失败.return 4;}// 关闭套接字 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

UDP 多播发送端实现

// UDP 多播发送端实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>   // man 7 ip
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.10"
#define BROADCAST_PORT 6666#define BUF_SIZE (1024)int main(int argc, char * argv[]) {int sock_fd;int ret;struct sockaddr_in sin;  // 服务器端IPv4地址族结构char buf_write[BUF_SIZE];  // 写数据缓冲区int reuse_enble = 1;  // 值为 1 表示同意int ttl = 64; // 生存时间，数据包可以经过64跳。// 创建UDP套接字sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sock_fd) {perror("socket");return 1;}// 2. 设置多播组TTL(生存时间）ret = setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, sizeof(ttl));if (-1 == ret) {perror("setsockopt");return 2;}// 3. 让端口号可以重新绑定ret = setsockopt(sock_fd,  SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse_enble, sizeof(reuse_enble));if (-1 == ret) {perror("setsockopt");return 2;}//4. 设置多播用的IP和端口号信息sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);// sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;inet_pton(AF_INET, MULTICAST_GROUP, &sin.sin_addr);printf("准备发送广播...\n");// 循环多播 60 秒后退出for (int i = 0; i < 60; i++) {sprintf(buf_write, "广播数字:%d", i);ret = sendto(sock_fd, buf_write, strlen(buf_write), 0, (struct sockaddr*)&sin, sizeof(sin));if (-1 == ret) {close(sock_fd);return 1;}sleep(1);}// 断开连接 close(sock_fd);printf("主进程结束\n");return 0;
}

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