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【Linux网络】Socket编程UDP

news 2025/10/24 9:42:21

本篇主要是写一个基于UDP ( User Datagram Protocol ⽤户数据报协议）的简单的回显服务器和客户端代码，Echo server。

1.Server端

1.1 初始化

1.1.1 创建套接字

首先我们要创建套接字，调用函数socket，成功返回一个文件描述符，失败返回-1.

  • 第一个参数就是要做什么通信，有很多选项，进行网络通信就传AF_INET；
  • 第二个参数要创建的套接字类型，也有很多，传SOCK_DGRAM
  • 第三个参数是要设定的协议类型，其实这里AF_INET和SOCK_DGRAM就已经能说明是UDP协议了，这个参数设为0。
//UdpServer.hpp文件
#pragma once
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include "MyLog.hpp"using namespace MyLog;
class UdpServer
{
public:UdpServer(): _sockfd(-1){}void Init(){// 创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "creat socket success, sockfd: " << _sockfd;}~UdpServer() {}private:int _sockfd;
};

创建套接字只是相当于打开了网络文件，将来要收发消息时，别人会知道我的ip和端口号吗？所以我们还要对socket进行绑定。

1.1.2 绑定socket信息

主要就是绑定ip和端口，需要用到的函数是bind。成功返回0，失败返回-1.

第一个参数就是前面创建的sockfd，第二个参数是一个结构体，第三个参数是这个结构体的大小

sockaddr结构：
system V标准用于本地进程间通信，详细介绍在：【Linux】system V共享内存
posix标准用于网络通信，网络通信的本质其实就是进程间通信，这个标准也可以用于进行本地通信。
未来在通信的时候我们会有网络socket、本地socket、原始socket(此处不做介绍)，网络socket就用于网络通信，本地socket用于本地通。
因为socket有很多种类，来满足不同的场景，所以socket未来的接口也会不同的规范。
在通信时我们要把数据发给别人，别人也要发给我，所以发出去的数据里一定会有自己的端口号和IP地址，放在一个结构体里，这种结构一般用于网络通信，叫sockaddr_in。
本地套接字通信叫做unix域间通信，原理就是使用套接字接口，A进程和B进程把指定路径下的文件打开，不就是管道嘛，它的结构就叫做sockaddr_un。

要进行网络通信就传sockaddr_in， 要进行本地通信就传sockaddr_un。

但是socket的设计者只想提供一种通信接口，所以又有了一个结构叫sockaddr。这是一个通用的接口，规定不管是sockaddr_in还是sockaddr_un，前面都要有16位地址类型，AF_INET就是进行网络通信，AF_UNIX就是进行本地通信

而sockaddr也有16位地址类型，以后我们进行本地通信就创建sockaddr_in结构，网络通信就创建sockaddr_un结构，但是传参的时候只能传sockaddr 结构，直接强转就行了。在函数内部会自行区分是网络通信还是本地通信。
所以在绑定socket之前，我们要先填写sockaddr_in结构体的信息。如下是sockaddr_in结构体的具体内容。
sin_port是端口号，sin_addr是IP地址，下面的sin_zero就是填充字段，为了保证结构体大小是固定的，地址类型就是__SOCKADDR_COMMON，就是协议家族，具体如下。 
typedef unsigned short int sa_family_t; //就是一个无符号短整数
//in_port_t其实就是uint16_t
/* Type to represent a port.  */
typedef uint16_t in_port_t;//in_addr里面就是一个in_addr_t的变量，in_addr_t就是uint32_t 
/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr{in_addr_t s_addr;};

所以其实这个sockaddr_in里就是有三个整数而已。

回到代码，在填写sockaddr_in结构体的信息之前要清0，这里用到的函数是bzero。

    void Init(){// 1.创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "creat socket success, sockfd: " << _sockfd;//绑定socket信息，IP和端口struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); //先清0local.sin_family = AF_INET;local.sin_port =  // ?local.sin_addr.s_addr = //?}

将来我们发数据的时候，还要把端口号也要发给别人，这就说明ip和端口信息也要发送到网络，所以我们需要将本地格式转网络序列。

TCP/IP协议规定,⽹络数据流应采⽤⼤端字节序,即低地址⾼字节。不管这台主机是⼤端机还是⼩端机, 都会按照这个TCP/IP规定的⽹络字节序来发送/接收数据; 如果当前发送主机是⼩端, 就需要先将数据转成⼤端; 否则就忽略, 直接发送即可。
为使⽹络程序具有可移植性,使同样的C代码在⼤端和⼩端计算机上编译后都能正常运⾏,可以调⽤以下库函数做⽹络字节序和主机字节序的转换。
下面是相关函数的接口。
  • h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数，例如 htonl 表⽰将 32 位的⻓整数从主机字节序转换为⽹络字节序
local.sin_port = htons(_port); private:uint16_t _port; // 端口号

ip地址也是如此，前面说过IP是uint32_t 类型的，是4字节风格的IP地址，而服务器里保存的IP地址是字符串风格的地址，点分十进制，所以我们需要将ip转为4字节，还要将4字节转为网络序列，这两个步骤不需要我们自己完成，有一个函数叫inet_addr，可以完成这两个步骤。

而且这个函数的返回值类型就是in_addr_t，也就是前面说过的ip地址结构体里的变量的类型。

//UdpServer.hpp文件
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "MyLog.hpp"using namespace MyLog;
class UdpServer
{
public:UdpServer(std::string &ip, uint16_t &port): _sockfd(-1),_port(port),_ip(ip){}void Init(){// 1.创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "creat socket success, sockfd: " << _sockfd;// 2.绑定socket信息，IP和端口struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 先清0local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port); // 主机序列转网络序列// ip转4字节，4字节转网络序列local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());}~UdpServer() {}private:int _sockfd;uint16_t _port; // 端口号std::string _ip;
};

sockaddr结构填写完成后，就可以绑定了，绑定时要对sockaddr_in结构进行强转。

    void Init(){// 1.创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "creat socket success, sockfd: " << _sockfd;// 2.绑定socket信息，IP和端口// 2.1 填写sockaddr_in结构体struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 先清0local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port); // 主机序列转网络序列// ip转4字节，4字节转网络序列local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());// 2.2 绑定int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "bind失败";exit(2);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind success";}

1.2 启动

1.2.1 收消息

一般软件运行起来后就是死循环。

public:void Start(){if (_isrunning)return; // 不要重复启动_isrunning = true;while(true){}}
private:int _sockfd;uint16_t _port; // 端口号std::string _ip;bool _isrunning;

服务器要先接受数据，再发送消息。

接收消息要用到函数recvfrom，成功返回收到的字节数，失败返回-1。

第一个参数就是套接字；第二个参数是接收数据的缓冲区；第三个参数是这个缓冲区的大小；第四个参数是阻塞IO或者非阻塞IO，阻塞式IO就是没有收到数据的时候进程会一直等，就等同于scanf，这里设置成0，表示默认非阻塞；第四个参数用于存储发送数据的对端的ip和端口号（即记录寄件人地址）；第四个参数是src_addr的实际大小。

    void Start(){if (_isrunning)return; // 不要重复启动_isrunning = true;while (true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer); // 大小要是socklen_t类型// 1.收消息size_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n > 0){buffer[n] = 0; // 手动添加字符串结束标志LOG(LogLevel::DEBUG) << "buffer:" << buffer;}}}

1.2.2 发消息

发消息用到的接口是sendto。

参数和收消息接口类似：第一个参数就是套接字；第二个参数是发消息的缓冲区；第三个参数是这个缓冲区的大小；第四个参数是阻塞IO或者非阻塞IO，这里设置成0，表示默认非阻塞；第四个参数用于存储发送数据的对端的ip和端口号（即给谁发）；第四个参数是src_addr的实际大小。

    void Start(){if (_isrunning)return; // 不要重复启动_isrunning = true;while (true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer); // 大小要是socklen_t类型// 1.收消息size_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n > 0){buffer[n] = 0; // 手动添加字符串结束标志LOG(LogLevel::DEBUG) << "buffer:" << buffer;// 2.发消息std::string echo_string = "server echo# ";echo_string += buffer;sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);}}}

1.3 源文件

//UdpServer.cc文件
#include "UdpServer.hpp"
#include <memory>// 格式为：udpserver ip port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " ip port" << std::endl;return 1;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = std::stoi(argv[2]);Refresh_Log_To_Console();std::unique_ptr<UdpServer> server = std::make_unique<UdpServer>(ip, port);server->Init();server->Start();return 0;
}

2.Client端

Client端就不做封装了，直接在.cc文件里写。

客户端要访问服务器，在日常生活中网络请求都是由客户端发起，服务器处理。客户端必须知道目标服务器的套接字信息(ip+port)，所以客户端启动的时候要传服务器的ip和port，格式应该为udpclient server_ip server_port。

但是客户端怎么知道服务器的ip和端口号呢？客户端和服务器是一家公司写的，客户端内部以一定形式内置了服务器的ip和端口号。

// UdpClient.cc文件
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>// 格式为：udpclient server_ip server_port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " server_ip server_port" << std::endl;return 1;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = std::stoi(argv[2]);return 0;
}

客户端也要创建套接字，调用函数socket，成功返回一个文件描述符，失败返回-1。

// 格式为：udpclient server_ip server_port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " server_ip server_port" << std::endl;return 1;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = std::stoi(argv[2]);// 创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){std::cout << "client创建套接字失败" << std::endl;return 2;}return 0;
}

客户端要不要绑定socket信息呢？要绑定。要不要显示的绑定呢？不要。

因为客户端首次发送消息，OS会自动给client进行bind，OS知道ip，而端口号采用随机端口号的方式，因为一个端口号只能被一个进程bind，采用随机端口号是为了避免client端口号冲突。

所以，客户端的端口号是多少并不重要，只要是唯一的就行；服务器端需要显示的bind，因为服务端会被很多个客户端访问，服务端的IP和端口必须是众所周知并且不能轻易改变的，一旦容易改变，客户端可能就访问不到了，就像生活中110或120这样的特殊电话号码是不能轻易改变的，但我们自己使用的手机号码可以任意换。

客户端要先发送消息，再接收消息。我们往服务器发消息，需要填写服务器信息。

// UdpClient.cc文件
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>// 格式为：udpclient server_ip server_port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " server_ip server_port" << std::endl;return 1;}std::string server_ip = argv[1];uint16_t server_port = std::stoi(argv[2]);// 1.创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){std::cout << "client创建套接字失败" << std::endl;return 2;}// 2.bind,但不需要显示的bind// 填写服务器信息struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server)); // 先请0server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(server_port);   // 主机转网络server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str()); // ip转4字节，4字节转网络序列while (true){// 3.发消息std::string input;std::cout << "Please Enter# ";std::getline(std::cin, input); // 从输入流获取到input里sendto(sockfd, input.c_str(), input.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));}return 0;
}

客户端收消息的时候也要知道是哪个服务器发的，因为一个客户端可能访问多个服务器。

    while (true){// 3.发消息std::string input;std::cout << "Please Enter# ";std::getline(std::cin, input); // 从输入流获取到input里sendto(sockfd, input.c_str(), input.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));// 4.收消息char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int m = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(m > 0){buffer[m] = 0;std::cout << buffer << std::endl;}}

3.绑定IP问题

我们用ifconfig命令查询，会有如下显示。

172.17.55.42是这台机器的内网ip，暂时不管，而这个127.0.0.1，是本地环回。

本地环回：要求客户端和服务器必须在一台机器上，表明我们是本地通信，客户端发送数据不会推送到网络，而是在OS内部转一圈直接交给对应的服务器端。

这种ip地址经常用来进行网络代码的测试，因为如果把代码直接扔到网络里，有可能是因为网不好导致结果不对，所以我们先用这个ip先对代码进行测试。

#Makefile文件
.PHONY:all
all:udpclient udpserverudpclient:UdpClient.ccg++ -o $@ $^ -std=c++17
udpserver:UdpServer.ccg++ -o $@ $^ -std=c++17.PHONY:clean
clean:rm -f udpclient udpserver

编译之后运行两份代码。

然后输入一些内容。

绑定内网IP也可以。

但是不可以直接绑定公网ip，因为公网IP并没有配置到我们的IP上。

并且如果服务器绑定内网IP，而客户端拿着本地环回ip访问，数据就会发不出去。

反过来也不行。

  • netstat -anup：查网络连接状态，a表示所有，n表示数字化，u表示查看udp协议，p表示把进程信息也显示出来

客户端想访问ip为127.0.0.1 端口号为8080的地址信息，根本就不存在。

所以如果我们显式的bind，client未来访问的时候，就必须使用server端bind的地址信息。

公网IP不让邦，显式bind的话client又不好访问，所以服务器端不建议显式的bind，那怎么办呢？解决方法如下，把地址改为一个宏。

//UdpServer.hpp文件UdpServer类里的Init函数内部//local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

这个宏如下，其实就是0，设置成0后就可以ip任意bind，允许接收任何的信息。

所以，server端就不需要传ip，只需要传个端口号就行。

// UdpServer.hpp文件
class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t &port) // 不需要传ip: _sockfd(-1),_port(port),_isrunning(false){}//...private:int _sockfd;uint16_t _port; // 端口号//std::string _ip; // 不需要ipbool _isrunning;
};

// UdpServer.cc文件
#include "UdpServer.hpp"
#include <memory>// 格式为：udpserver port
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " port" << std::endl;return 1;}uint16_t port = std::stoi(argv[2]);Refresh_Log_To_Console();std::unique_ptr<UdpServer> server = std::make_unique<UdpServer>(port);server->Init();server->Start();return 0;
}

然后server端只需要绑定端口号，我们再用netstat查询一下网络连接状态。

现在就是显示的0.0.0.0:8080，就意味着用这台机器上的任意ip来访问server，他都可以向客户端发消息了。

前面是绑的本地环回，下面是绑的内网IP，都能给服务器发消息了。

但是公网IP不可以。

server获取client的IP和port

通过上面的实验我们会发现在server端我们并不知道消息是谁发送的，所以需要获取一下client的IP和port。client的信息就存储在recvfrom函数的第五个参数里，就是peer。

  • 对于端口号，因为此是端口号是从网络里拿的，所以是网络序列，我们需要将网络序列转主机序列。
  • 对于ip，我们需要的是点分十进制的字符串风格的IP，而从网络里拿到的是4字节网络风格的IP，所以需要用函数inet_ntoa进行转换。
// UdpServer.hpp文件void Start(){if (_isrunning)return; // 不要重复启动_isrunning = true;while (true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer); // 大小要是socklen_t类型// 1.收消息size_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n > 0){buffer[n] = 0;                                  // 手动添加字符串结束标志uint16_t peer_port = ntohs(peer.sin_port);      // 网络序列转主机序列std::string peer_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 4字节网络序列LOG(LogLevel::DEBUG) << "[" << peer_ip << ":" << peer_port << "]# " << buffer;// 2.发消息std::string echo_string = "server echo# ";echo_string += buffer;sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);}}}

4.服务器回调函数

收到消息后，之前我们是把这个buffer消息打印一下，现在我们需要设计一个服务器的回调函数，让这个回调函数来对数据进行处理，处理完成后把结果返回来就行。有了回调函数，在初始化的时候就要要求传对应的回调方法。

// UdpServer.hpp文件
#include <functional>
using namespace MyLog;
using func_t = std::function<std::string(const std::string&)>; // 参数和返回值都为string类型
class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t &port, func_t func) // 初始化时要传回调方法: _sockfd(-1),_port(port),_isrunning(false),_func(func){}void Start(){if (_isrunning)return; // 不要重复启动_isrunning = true;while (true){char buffer[1024];struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer); // 大小要是socklen_t类型// 1.收消息size_t n = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (n > 0){buffer[n] = 0;                                  // 手动添加字符串结束标志uint16_t peer_port = ntohs(peer.sin_port);      // 网络序列转主机序列std::string peer_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 4字节网络序列              std::string result = _func(buffer); // 回调函数处理，并返回结果// 2.把结果发出去       sendto(_sockfd, result.c_str(), result.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);}}}private:int _sockfd;uint16_t _port; // 端口号bool _isrunning;func_t _func; // 服务器的回调函数
};

下面有个回调方法的例子。

// UdpServer.cc文件
#include "UdpServer.hpp"
#include <memory>std::string DefaultHandler(const std::string &messages)
{std::string s = "***";s = s + messages + "***";return s;
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){std::cout << "Usage:" << argv[0] << " port" << std::endl;return 1;}uint16_t port = std::stoi(argv[1]);Refresh_Log_To_Console();// 初始化时传回调方法std::unique_ptr<UdpServer> server = std::make_unique<UdpServer>(port, DefaultHandler);server->Init();server->Start();return 0;
}

现在UdpServer只用来进行网络通信的，而怎么处理由上层决定。这就是简单的代码的层状结构。

本篇分享就到这里，我们下篇见~

http://www.dtcms.com/a/520445.html

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