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【Linux网络】Socket编程实战，基于UDP协议的Echo Server

news 2025/10/31 8:31:00

前言：

        上文我们讲解了Socket编程的预备【Linux网络】套接字Socket编程预备-CSDN博客

        本文我们来讲解一下使用Socket编程基于UDP协议的网络通信：Echo Server，回显服务。

服务器端实现

大致分为两大步：

        初始化阶段：1.创建套接字              2.填充并绑定Socket信息

        启动服务器：1.接收客户端的信息   2.回显消息

初始化阶段

创建套接字

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);domain（地址族 / 协议族）：指定网络层协议，决定套接字使用的地址格式。常见取值：AF_INET：IPv4 协议（最常用）type（套接字类型）：指定传输层协议的特性。常见取值：SOCK_DGRAM：数据报套接字protocol（具体协议）：指定使用的传输层协议。通常设为 0，表示根据 domain 和 type 自动选择默认协议返回值:
成功：返回一个非负整数（套接字描述符，类似文件描述符，用于后续操作）
失败：返回 -1，并设置全局变量 errno 表示错误原因（如 EAFNOSUPPORT 表示地址族不支持）

绑定信息

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);sockfd（套接字描述符）
addr（地址结构指针）
addrlen（地址结构长度）返回值
成功：返回 0，表示套接字已成功绑定到指定地址
失败：返回 -1，表示失败

        在上一篇文章我们讲过。对于struct sockaddr*参数，要看我们想要进行什么类型的通信来决定。如果想要进行网络通信就要传入 struct sockaddr_in的结构体指针；而如果是进行本地通信就要传入 struct sockaddr_un结构体指针。

        这里我们是进行的网络通信的，所以下面我们就来看看 struct sockaddr_in结构体：

地址家族：

        第一个成员变量表示地址家族。

        ##：表示将左右两个字符串合并为一个，既 sin_family。

        sin_family的类型为 sa_family_t，其本质是短整型变量。

端口号：

        其本质就是短整型变量。

IP地址：

        其本质是一个in_addr的结构体对象。

        结构体in_addr中只有一个成员变量：表示IP地址。其本质是整型变量。

具体实现

class udpserver
{
public:udpserver(string& addr, uint16_t port): _addr(inet_addr(addr.c_str())), //注：直接将其转换为合法的ip地址_port(port){_running = false;}// 初始化：1.创建套接字 2.填充并绑定地址信息void Init(){// 1.创建套接字// 返回套接字描述符 地址族 数据类型 传输协议_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败！";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "创建套接字";// 2.绑定信息// 2.1填充信息struct sockaddr_in local;// 将指定内存块的所有字节清零bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;    // IPv4地址族local.sin_addr.s_addr = _addr; // IP地址(主机序列转化为网络序列)local.sin_port = htons(_port); // 端口号// 2.2绑定信息int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "绑定失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "绑定成功";}private:int _sockfd;uint32_t _addr;uint16_t _port;bool _running;
}

启动服务器阶段

接收客户端信息

#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);sockfd：套接字描述符
buf：指向接收数据的缓冲区
len：缓冲区 buf 能接收的字节数
flags：控制接收行为的标志位，通常为 0
src_addr：指向一个 sockaddr 结构体，用于存储发送方的地址信息
addrlen：指向 socklen_t 类型的指针，用于指定 src_addr 缓冲区的大小（传入时），并返回实际存储的地址长度（传出时）返回值
成功时：返回接收到的字节数
失败时：返回 -1

向客户端发送信息

#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);sockfd：套接字描述符
buf：指向待发送数据的缓冲区
len：待发送数据的长度
flags：控制发送行为的标志位，通常为 0（无特殊行为）
dest_addr：指向目标地址结构体的指针，用于指定数据发送的目标主机和端口
addrlen：结构体的大小返回值
成功时：返回实际发送的字节数（ssize_t 类型，非负整数），通常等于 len（除非发生截断或错误）
失败时：返回 -1

具体实现

class udpserver
{
public:// 启动运行：一直运行不停止；1.接收客户端的信息 2.对客户端发送来的信息进行回显void Start(){// 一定是死循环_running = true;while (_running){// 接收客户端的信息char buff[1024];struct sockaddr_in peer;unsigned int len = sizeof(peer);// 套接字描述符，数据存放的缓冲区，接收方式：默认，保存发送方的ip与端口，输入输出参数：输入peer的大小，输出实际读取的数据大小ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);printf("%s\n", buff);// 回显消息if (s > 0){// 将数据发送给客户端buff[s] = 0;// 套接字描述符，要发送的信息，发送方式：默认，接收方的ip与端口信息// 不应发送整个缓冲区（sizeof(buff)），而应发送实际接收的字节数 sssize_t t = sendto(_sockfd, buff, s, 0, (struct sockaddr*)&peer, len);if (t < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "信息发送给客户端失败";}}memset(&buff, 0, sizeof(buff)); // 清理缓存}}private:int _sockfd;uint32_t _addr;uint16_t _port;bool _running;
}

服务器实现

//UdpServer.hpp#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "Log.hpp"
using namespace LogModule;class udpserver
{
public:udpserver(string &addr, uint16_t port): _addr(inet_addr(addr.c_str())), // 注：直接将其转换为合法的ip地址_port(port){_running = false;}// 初始化：1.创建套接字 2.填充并绑定地址信息void Init(){// 1.创建套接字// 返回套接字描述符 地址族 数据类型 传输协议_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败！";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "创建套接字";// 2.绑定信息// 2.1填充信息struct sockaddr_in local;// 将指定内存块的所有字节清零bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;    // IPv4地址族local.sin_addr.s_addr = _addr; // IP地址(主机序列转化为网络序列)local.sin_port = htons(_port); // 端口号// 2.2绑定信息int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "绑定失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "绑定成功";}// 启动运行：一直运行不停止；1.接收客户端的信息 2.对客户端发送来的信息进行回显void Start(){// 一定是死循环_running = true;while (_running){// 接收客户端的信息char buff[1024];struct sockaddr_in peer;unsigned int len = sizeof(peer);// 套接字描述符，数据存放的缓冲区，接收方式：默认，保存发送方的ip与端口，输入输出参数：输入peer的大小，输出实际读取的数据大小ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);printf("%s\n", buff);// 回显消息if (s > 0){// 将数据发送给客户端buff[s] = 0;// 套接字描述符，要发送的信息，发送方式：默认，接收方的ip与端口信息// 不应发送整个缓冲区（sizeof(buff)），而应发送实际接收的字节数 sssize_t t = sendto(_sockfd, buff, s, 0, (struct sockaddr *)&peer, len);if (t < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "信息发送给客户端失败";}}memset(&buff, 0, sizeof(buff)); // 清理缓存}}private:int _sockfd;uint32_t _addr;uint16_t _port;bool _running;
};
//UdpServer.cc#include "UdpServer.hpp"
#include <cstdlib>// 给出 ip地址 端口号
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Please use: " << argv[0] << " IP " << "PORT " << endl;}else{string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[2]); // 注：字符串转整数udpserver us(ip, port);us.Init();us.Start();}
}
//Log.hpp// 实现日志模块#pragma once
#include <iostream>
#include <sstream>    // 包含stringstream类
#include <filesystem> //C++17文件操作接口库
#include <fstream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include "Mutex.hpp"
using namespace std;
using namespace MutexModule;// 补充：外部类只能通过内部类的实例化对象，来访问内部类中的方法与成员，且受修饰符限制
//       内部类可以直接访问外部类的方法以及成员，没有限制namespace LogModule
{const string end = "\r\n";// 实现刷新策略：a.向显示器刷新 b.向指定文件刷新// 利用多态机制实现// 包含至少一个纯虚函数的类称为抽象类，不能实例化，只能被继承class LogStrategy // 基类{public://"=0"声明为纯虚函数。纯虚函数强制派生类必须重写该函数virtual void SyncLog(const string &message) = 0;};// 向显示器刷新：子类class ConsoleLogStrategy : public LogStrategy{public:void SyncLog(const string &message) override{// 加锁，访问显示器，显示器也是临界资源LockGuard lockguard(_mutex);cout << message << end;}private:Mutex _mutex;};// 向指定文件刷新：子类const string defaultpath = "./log";const string defaultfile = "my.log";class FileLogStrategy : public LogStrategy{public:FileLogStrategy(const string &path = defaultpath, const string &file = defaultfile): _path(path), _file(file){LockGuard lockguard(_mutex);// 判断路径是否存在,如果不存在就创建对应的路径if (!(filesystem::exists(_path)))filesystem::create_directories(_path);}void SyncLog(const string &message) override{// 合成最后路径string Path = _path + (_path.back() == '/' ? "" : "/") + _file;// 打开文件ofstream out(Path, ios::app);out << message << end;}private:string _path;string _file;Mutex _mutex;};//// 日志等级// enum class：强类型枚举。1.必须通过域名访问枚举值 2.枚举值不能隐式类型转化为整型enum class LogLevel{DEBUG,   // 调试级INFO,    // 信息级WARNING, // 警告级ERROR,   // 错误级FATAL    // 致命级};//// 将等级转化为字符串string LevelToStr(LogLevel level){switch (level){case LogLevel::DEBUG:return "DEBUG";case LogLevel::INFO:return "DEBUG";case LogLevel::WARNING:return "WARNING";case LogLevel::ERROR:return "ERROR";case LogLevel::FATAL:return "FATAL";default:return "UNKOWN";}}// 获取时间string GetTime(){// time函数：获取当前系统的时间戳// localtime_r函数：将时间戳转化为本地时间（可重入函数，localtime则是不可重入函数）// struct tm结构体，会将转化之后的本地时间存储在结构体中time_t curr = time(nullptr);struct tm curr_time;localtime_r(&curr, &curr_time);char buffer[128];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",curr_time.tm_year + 1900, // 年份是从1900开始计算的，需要加上1900才能得到正确的年份curr_time.tm_mon + 1,     // 月份了0~11，需要加上1才能得到正确的月份curr_time.tm_mday,        // 日curr_time.tm_hour,        // 时curr_time.tm_min,         // 分curr_time.tm_sec);        // 秒return buffer;}//// 实现日志信息，并选择刷新策略class Logger{public:Logger(){// 默认选择显示器刷新Strategy = make_unique<ConsoleLogStrategy>();}void EnableConsoleLogStrategy(){Strategy = make_unique<ConsoleLogStrategy>();}void EnableFileLogStrategy(){Strategy = make_unique<FileLogStrategy>();}// 日志信息class LogMessage{public:LogMessage(const LogLevel &level, const string &name, const int &line, Logger &logger): _level(level),_name(name),_logger(logger),_line_member(line){_pid = getpid();_time = GetTime();// 合并：日志信息的左半部分stringstream ss; // 创建输出流对象,stringstream可以将输入的所有数据全部转为为字符串ss << "[" << _time << "] "<< "[" << LevelToStr(_level) << "] "<< "[" << _pid << "] "<< "[" << _name << "] "<< "[" << _line_member << "] "<< " - ";// 返回ss中的字符串_loginfo = ss.str();}// 日志文件的右半部分:可变参数，重载运算符<<// e.g. <<"huang"<<123<<"dasd"<<24template <class T>LogMessage &operator<<(const T &message) // 引用返回可以让后续内容不断追加{stringstream ss;ss << message;_loginfo += ss.str();// 返回对象！return *this;}// 销毁时，将信息刷新~LogMessage(){// 日志文件_logger.Strategy->SyncLog(_loginfo);}private:string _time;LogLevel _level;pid_t _pid;string _name;int _line_member;string _loginfo; // 合并之后的一条完整信息// 日志对象Logger &_logger;};// 重载运算符(),便于创建LogMessage对象// 这里返回临时对象：当临时对象销毁时，调用对应的析构函数，自动对象中创建好的日志信息进行刷新！// 其次局部对象也不能传引用返回！LogMessage operator()(const LogLevel &level, const string &name, const int &line){return LogMessage(level, name, line, *this);}private:unique_ptr<LogStrategy> Strategy;};// 为了用户使用更方便，我们使用宏封装一下Logger logger;// 切换刷新策略
#define Enable_Console_LogStrategy() logger.EnableConsoleLogStrategy();
#define Enable_File_LogStrategy() logger.EnableFileLogStrategy();
// 创建日志，并刷新
//__FILE__ 和 __LINE__ 是编译器预定义的宏，作用是获取当前代码所在的文件名、行号
#define LOG(level) logger(level, __FILE__, __LINE__) // 细节：不加；
};
//Mutex.hpp// 封装锁接口
#pragma once
#include <pthread.h>namespace MutexModule
{class Mutex{public:Mutex(){pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(&mutex);}void Lock(){pthread_mutex_lock(&mutex);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&mutex);}pthread_mutex_t *Get(){return &mutex;}private:pthread_mutex_t mutex;};class LockGuard{public:LockGuard(Mutex &mutex): _Mutex(mutex){_Mutex.Lock();}~LockGuard(){_Mutex.Unlock();}private:// 为了保证锁的底层逻辑，锁是不能够拷贝的，并且也是没有拷贝构造函数的//  避免拷贝，应该引用Mutex &_Mutex;};
}

客户端实现

1.启动时要给出服务器的ip与端口号

2.创建套接字

3.客户端的端口不需要我们手动绑定，也不能手动的绑定。填写服务器的信息

4.向服务器发送信息

5.接收服务器返回的信息

注意：

        client要不要显式的bind? 不要！！首次发送消息，OS会自动给client进行bind，OS知道IP，端口号采用随机端口号的方式

        为什么？一个端口号，只能被一个进程bind，为了避免client端口冲突

        client端的端口号是几，不重要，只要是唯一的就行！

思考：

        那为什么server的实现需要显示的绑定端口号？

        因为服务器是要被大量的客户端访问的，这也就意味这个服务器的IP与端口必须是众所周知的，并且不能轻易改变的！

客户端最终实现

#include "Log.hpp"
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace LogModule;// 给出 ip地址 端口号
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){std::cout << "Please use: " << argv[0] << " IP " << "PORT " << endl;exit(1);}uint32_t ip = inet_addr(argv[1]); // 注：字符串转合法ip地址uint16_t port = stoi(argv[2]);    // 注：字符串转整数// 创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "创建套接字";// 绑定？不用显示绑定,OS会自动的绑定// 填写服务器信息struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = ip;local.sin_port = htons(port);// 一定是死循环while (true){// 向服务器发送信息cout << "Please Cin # ";std::string buff;cin >> buff;// std::getline(std::cin, buff);// buff.size()-1 会丢失最后一个字符，应改为 buff.size()ssize_t s = sendto(sockfd, buff.c_str(), buff.size(), 0, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));if (s < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "向服务器发送信息失败";exit(1);}// 接收服务器返回的信息char buffer[1024];memset(&buffer, 0, sizeof(buffer));struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);ssize_t ss = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (ss < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "接收服务器信息失败";exit(1);}printf("%s\n", buffer);memset(&buff, 0, sizeof(buffer)); // 清理缓存}
}

优化服务器

绑定问题

通过实际运行结果，我们发现

        bind公网IP，无法绑定（因为云服务器并没有配置公网IP)。

        服务器与客户端都绑定内网IP or 本地环回，可以绑定，可以通信。

        服务器与客户端绑定不一致，可以绑定，但无法通信。

        通过上面的情况，我们会发现：当我们显式的配置服务器的IP地址后，客户端在访问时必须使用服务器bind的IP才能访问，这极大限制了访问的灵活性。

        所以我们并不建议，让服务器手动的bind特定的IP地址，而是可以让其bind任意的IP地址。

local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;赋值为INADDR_ANY，表示任意地址

        这样，服务器在启动时就不用传递IP地址了，只需要传递端口号即可。

处理问题

        如果服务器想要对客户端发送来的信息进行一定的处理后，再返回应该怎么做？

        可以让main函数处，传入自定义处理方法。在类中使用包装器：function来获取到main函数处传入的方法。并在接收客户端消息后，调用对应方法进行处理，最后将处理结果再发送给客户端。

服务器最终实现

//UdpServer.cc#include "UdpServer.hpp"
#include <cstdlib>// 自定义处理方法
std::string func(std::string s)
{string h = "hello: ";return h + s;
}// 给出 端口号
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){std::cout << "Please use: " << argv[0] << " PORT" << endl;}else{// string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[1]); // 注：字符串转整数udpserver us(port, func);us.Init();us.Start();}
}
//UdpServer.hpp#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <functional>
#include "Log.hpp"
using namespace LogModule;class udpserver
{using func_t = function<string(string)>;public:udpserver(uint16_t port, func_t func)// : _addr(inet_addr(addr.c_str())), // 注：直接将其转换为合法的ip地址: _port(port),_func(func){_running = false;}// 初始化：1.创建套接字 2.填充并绑定地址信息void Init(){// 1.创建套接字// 返回套接字描述符 地址族 数据类型 传输协议_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "创建套接字失败！";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "创建套接字";// 2.绑定信息// 2.1填充信息struct sockaddr_in local;// 将指定内存块的所有字节清零bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET; // IPv4地址族// local.sin_addr.s_addr = _addr;   //IP地址(主机序列转化为网络序列)local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 赋值为INADDR_ANY，表示任意地址local.sin_port = htons(_port);      // 端口号// 2.2绑定信息int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "绑定失败";exit(1);}LOG(LogLevel::INFO) << "绑定成功";}// 启动运行：一直运行不停止；1.接收客户端的信息 2.对客户端发送来的信息进行回显void Start(){// 一定是死循环_running = true;while (_running){// 接收客户端的信息char buff[1024];struct sockaddr_in peer;unsigned int len = sizeof(peer);// 套接字描述符，数据存放的缓冲区，接收方式：默认，保存发送方的ip与端口，输入输出参数：输入peer的大小，输出实际读取的数据大小ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);buff[s] = 0;printf("%s\n", buff);// 回显消息if (s > 0){// 调用自定义方法std::string ss = _func(string(buff));// 将数据发送给客户端// 套接字描述符，要发送的信息，发送方式：默认，接收方的ip与端口信息ssize_t t = sendto(_sockfd, ss.c_str(), ss.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);if (t < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "信息发送给客户端失败";}}memset(&buff, 0, sizeof(buff)); // 清理缓存}}private:int _sockfd;uint32_t _addr;uint16_t _port;bool _running;// 回调方法func_t _func;
};
http://www.dtcms.com/a/549031.html

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