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深入了解linux网络—— UDP网络通信

news 2025/9/26 10:11:32

前言

了解了socket编程的基础知识，IP + port标识网络中的唯一进程、源IP/端口号、目的IP/端口号以及socket相关API；

传输层的两大协议：TCP/UDP

这里来使用UDP相关接口来实现网络通信

服务端

1. 初始化

我们知道，在操作系统中并不是所有的进程都有端口号，所以在服务器端，就要做相关操作来让进程绑定唯一的端口号。

创建socket

对于服务器端，要先创建socket（IP + port）

创建socket要用到接口socket

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

参数：

socket存在三个参数：int domain、int type、int protocol

domain：

在这里插入图片描述

简单来说该参数就是表面要进行的通信类型，这里我们要进行网络通信，参数就传AF_INET。

type：

在这里插入图片描述

对于这个参数也是介绍了一大堆，这里就暂且先关注UPD通信（也就是面向数据报），其中SOCK_DGRAM就表示面向数据报。

所有，在传参时，domain传AF_INET（表示网络通信）、type传SOCK_DGRAM（表示面向数据报）就能够表示当前是UDP通信。

在这里插入图片描述

protocol：

对于这个参数，这里暂时不做介绍，在使用时传递0即可。

返回值：

对于socket的返回值，就有意思了：

在这里插入图片描述

可以看到，如果调用socket创建成功，就会返回一个文件描述符（这里体现了Linux一切皆文件）

而我们还知道，一个进程默认会打开三个文件（0、1、2文件描述符被占用），所以默认（不关闭0、1、2）socket返回的文件描述符是>=3的。

这里暂且先不探究其原理，后续再深入了解。

所以，要使用UDP通信，创建套接字，调用socket就要传递AF_INET、SOCK_DGRAM、0；

而socket创建成功会返回一个文件描述符，这里就设计一个类，将该文件描述符管理起来。

//udpserver.hpp
class UdpServer
{
public:UdpServer() : _sockfd(-1){}~UdpServer() {}void Init(){// 1. 创建socket_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // AF_INET 网络通信  SOCK_DGRAM  面向数据报if (_sockfd < 0){// _sockfd < 0 表示创建套接字失败,这里输出一条日志然后退出LOG(Level::DEBUG) << "socket error";exit(1);}LOG(Level::DEBUG) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;}
private:int _sockfd;
};

这样实现UdpSrever，在服务器端只需创建UdpServer对象，然后调用Init(初始化)和运行成员函数即可。

//udpserver.cc
#include "udpserver.hpp"
int main()
{UdpServer usvr;usvr.Init();return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到，socket返回的文件描述符确实是从3开始的。

绑定IP/端口号

在上述操作中，通过socket创建了套接字，也获取了文件描述符；但是还没有IP和端口号啊，还是没办法在网络中找到该主机的该进程啊；

所以创建完套接字之后，还要进行绑定IP和端口号；就要调用bind方法

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

可以看到bind应该是哪个参数，其第一个参数是sockfd，就需要传递socket返回的文件描述符。

addr、addrlen：

首先const struct sockaddr* addr，这里我们要进行网络通信，就要传递一个struct sockaddr_in *的指针变量；

而socklen_t addrlen则表示传递的第二个参数的长度。

所以，在调用bind时，我们要进行网络通信就要先有一个struct sockaddr_in类型的结构体对象；

  • 构建struct sockaddr_in对象

我们知道sockaddr_in结构体中存在三个字段：sin_family、sin_addr和sin_port；分别指标志位、IP地址和端口号。

这里要进行网络通信，标志位就传递AF_INET；

这里在服务器端，就由外部指定要绑定的IP和端口号。（在运行程序时由命令行参数传递）

  • IP地址转换

在我们的认知中，IP地址都是10.0.16.12这种形式的，但是在这里struct sockaddr_in结构中的IP地址类型是uint32_t，也就是4字节整数；

那我们通过命令行参数获取到的IP地址是字符串形式的（.分隔开的数字），所以在这里就要进行IP地址的转换（由字符串形式转为4字节数字）

此外，我们这里的sockaddr_in在未来进行通信时，是要发送到网络的，所以在这里我们还需要将本地字节序转换为网络字节序

这里我们可以自己实现字符串IP --> 4字节数字，本地字节序 --> 网络字节序。但是这里，我们也可以调用inet_addr（将字符串形式的IP地址转换为4字节数字，再转换为网络字节序）

  • 端口号转换

这里的struct sockaddr_in是要发送到网络的，所以端口号sin_port也要由本机字节序转换为网络字节序，这里就可以调用htons来进行转换。

返回值：

在这里插入图片描述

成功，0被返回；失败则返回-1，并且错误码被设置。

class UdpServer
{
public:UdpServer(const std::string &ip, uint16_t port) : _sockfd(-1), _ip(ip), _port(port){}~UdpServer() {}void Init(){// 1. 创建socket_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // AF_INET 网络通信  SOCK_DGRAM  面向数据报if (_sockfd < 0){// _sockfd < 0 表示创建套接字失败,这里输出一条日志然后退出LOG(Level::DEBUG) << "socket error";exit(1);}LOG(Level::DEBUG) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;// 2.1 构建sockaddr_in对象struct sockaddr_in sockin;sockin.sin_family = AF_INET;sockin.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());sockin.sin_port = htons(_port);// 2.2 绑定IP、端口号int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&sockin, sizeof(sockin));if (n < 0){// n < 0 表示绑定失败,这里输出一条日志然后退出LOG(Level::DEBUG) << "bind error";exit(2);}LOG(Level::DEBUG) << "socket success";}
private:int _sockfd;std::string _ip;uint16_t _port;
};

这样，服务器在创建UpdServer对象，调用Init初始化后才能进行通信。

//udpserver.cc
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << argv[0] << " ip  port" << std::endl;return -1;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = std::stoi(argv[2]);UdpServer usvr(ip, port);usvr.Init();while (true){}return 0;
}

这样在程序运行起来之后，就可以在系统中查看到当前进程绑定的IP和端口号了

netstat可以用来查看网络相关信息

  • -u 表示UDP相关；
  • -p表示查看进程pid和program name
  • -n表示用数字显示
  • -l表示查看监听状态的端口

在这里插入图片描述

2. 接收/发送信息

通过创建套接字、绑定IP和端口号，当前就已经具备了通信的条件，现在来实现接受和发送信息；

接受信息

对于UDP通信，接受信息要用到的接口就是recv系列的接口，这里使用recvfrom

ssize_t recvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len,int flags,struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr,socklen_t *_Nullable restrict addrlen);

参数：

recvfrom存在6个参数：

  • sockfd：socket返回的文件描述符，指明通信使用的套接字(文件)
  • buf、len：buf表示接受信息的缓冲区，len表示缓冲区大小
  • flags：标志为，这里传0即可**(表示阻塞式接受信息)**
  • src_addr、addrlen：recvfrom不仅受到了对方发来的信息，还收到对方的struct sockaddr字段（IP、port）；

src_addr输出型参数，recvfrom接收到对方的struct sockaddr字段拷贝到该地址；

addrlen传参时表示src_addr的长度，（也是输出型参数，调用完成后，addrlen中的值表示实际读到的长度）

返回值：

recvfrom读取成功，返回实际读到信息的字节数；（buf)

发送信息

要发送信息，这里就要使用send系列接口，这里使用sendto

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

参数：

参数和recvfrom一样：sockfd指创建socket时返回的文件描述符、buf表示要发送的信息，len表示信息的长度；

flag这里暂时传递0即可。

dest_addr表示要发送给谁，目的主机的struct sockaddr字段；addrlen表示dest_addr的长度（大小）。

返回值这里暂时不考虑。

所以，我们就可以让服务器端阻塞等待式的接受信息，收到信息之后，对信息稍作处理，然后再发送回来。

class UdpServer
{
public:void Start(){while (true){char buff[256];struct sockaddr_in peer;socklen_t len;// 接受信息int n = recvfrom(_sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n < 0){// 读取失败LOG(Level::WARNING) << "recvfrom error";continue;}buff[n] = '\0';std::cout << "recv massage :" << buff << std::endl;// 发送信息int m = sendto(_sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);if (m < 0){// 读取失败LOG(Level::WARNING) << "sendto error";continue;}}}
private:int _sockfd;std::string _ip;uint16_t _port;
};

这里，服务器端在接受到远端发送的信息，输出一条消息到标准输出，然后再信息发送给远端。

客户端

上面实现了服务端的代码，现在来实现客户端。

对于服务端，在通信之前，要先创建套接字，绑定IP和端口号；

那客户端呢？

客户端，只需要我们显示地去创建套接字即可，不需要显示绑定（在首次发送信息时会自动绑定IP地址和随机端口号）

所以，客户端只需要创建套接字，然后就可以给服务端发送信息了。

而发送信息，要知道给谁发吧，那就需要对方的IP地址和端口号；

这里就通过命令行参数，在执行程序时指定IP和端口号。

//udpclient.cc
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
int main(int agrc, char *argv[])
{if (agrc != 3){std::cout << argv[0] << " serverip  serverport" << std::endl;return -1;}// 创建服务端 struct sockaddr_instruct sockaddr_in server;bzero(&server, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);server.sin_port = htons(std::stoi(argv[2]));// 创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;return -1;}// 无需显示绑定while (true){std::string massage;std::getline(std::cin, massage);// 发送信息sendto(sockfd, massage.c_str(), massage.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));std::cout << "send massage : " << massage << std::endl;// 接受信息struct sockaddr_in peer;bzero(&peer, sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(len);char buff[256];int n = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n < 0){// 读取失败std::cerr << "recvfrom error";continue;}buff[n] = '\0';std::cout << "recv : " << buff << std::endl;}return 0;
}

这里client和server都只是简单的接受和发送数据，并没有进行数据处理。

在这里插入图片描述

本机IP

在上述操作中，使用的10.0.16.12IP地址是云服务器的子网IP，我们如果尝试去连接公网IP，可以发现是连不上的（服务器公司做相关保护）

而在服务器中还存一种IP地址，就是本机IP：

使用ifconfig命令可以查看到：

在这里插入图片描述

就是上图中的127.0.0.1，如果我们一台机器上的server和client通信使用这种IP地址，数据就不会传输到网络，而是通过操作系统发送到对方。

这种IP 地址也通常用来测试网络代码。

在这里插入图片描述

可以看到也是可以通信的。

但是，如果这里一端使用10.0.16.12地址，另外一端使用127.0.0.1呢？

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

可以看到，client和server绑定不同的IP地址，虽然是一台主机的IP地址，但却无法完成通信。

而发送到127.0.0.1和10.0.16.12的信息都是发送给该主机的啊，按理来说应该是能够收到的。

这里，要想让服务端接收到发送给该主机的所有信息，就不能让server去绑定某个IP地址，而是让server绑定INADDR_ANY；

在这里插入图片描述

INADDR_ANY本质上就是0。

所以，在server端，就不需要通过命令行参数传递IP地址，也不需要存储IP地址了，直接绑定INADDR_ANY即可。

class UdpServer
{
public:// UdpServer(const std::string &ip, uint16_t port) : _sockfd(-1), _ip(ip), _port(port)// {// }UdpServer(uint16_t port) : _sockfd(-1), _port(port){}~UdpServer() {}void Init(){// 1. 创建socket_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // AF_INET 网络通信  SOCK_DGRAM  面向数据报if (_sockfd < 0){// _sockfd < 0 表示创建套接字失败,这里输出一条日志然后退出LOG(Level::DEBUG) << "socket error";exit(1);}LOG(Level::DEBUG) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;// 2.1 构建sockaddr_in对象struct sockaddr_in sockin;bzero(&sockin, sizeof(sockin));sockin.sin_family = AF_INET;// sockin.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());sockin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//绑定INADDR_ANY 接受发送给该主机的所有信息sockin.sin_port = htons(_port);// 2.2 绑定IP、端口号int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&sockin, sizeof(sockin));if (n < 0){// n < 0 表示绑定失败,这里输出一条日志然后退出LOG(Level::DEBUG) << "bind error";exit(2);}LOG(Level::DEBUG) << "socket success";}void Start(){while (true){char buff[256];struct sockaddr_in peer;socklen_t len;// 接受信息int n = recvfrom(_sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n < 0){// 读取失败LOG(Level::WARNING) << "recvfrom error";continue;}buff[n] = '\0';std::cout << "recv massage :" << buff << std::endl;// 发送信息int m = sendto(_sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);if (m < 0){// 读取失败LOG(Level::WARNING) << "sendto error";continue;}}}
private:int _sockfd;// std::string _ip;uint16_t _port;
};

到这里本篇文章内容就结束了，感谢各位大佬的支持
我的博客即将同步至腾讯云开发者社区，邀请大家一同入驻：https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=2oul0hvapjsws

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