Linux C/C++ UDP 网络通信

昨晚 Vv 想让我给她讲讲网络编程，于是我就傻乎乎的带她入了门...

以下内容为讲课时制作的笔记～

1. socket() 函数

1.1 头文件

#include<sys/socket.h>

1.2 函数参数

示例：int socket(int domain, int type, int protocol){...}

• domain：设置协议域（协议族）

  • AF_INET：IPV4
  • AF_INET6：IPV6
  • \(\cdots\)

  协议族决定了 socket 的地址类型，在通信中必须采用对应类型的地址

• type：指定 socket 类型

  • SOCKET_STREAM：流式 socket，针对于面向连接的 TCP 服务应用
  • SOCKET_DGRAM：数据报式 socket，针对于无连接的 UDP 服务应用
  • \(\cdots\)

• protocal：指定协议

  • \(0\)：自动选择第二个参数类型对应的传输协议
  • IPPROTO_TCP：TCP传输协议
  • IPPROTO_UDP：UDP传输协议
  • \(\cdots\)

  type 和 protocal 不能随意组合，如 SOCKET_STREAM 不能和 IPPROTO_UDP 组合

1.3 返回值

示例：int sock_fd = socket(AF_INET, SOCKET_DGRAM, 0);

1. sock_fd = -1：套接字创建失败

2. sock_fd = x(x >= 0)：套接字创建成功，返回套接字的文件描述符（索引）

   套接字描述符是一个整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表，该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。该表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符，另一个字段存放套接字数据结构的地址，因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构。每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述符表但是套接字数据结构都是在操作系统的内核缓冲里。

1.4 Socket是什么？

socket是对TCP/IP协议簇的封装，它的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已。socket本身并不是协议，它是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，是一组调用接口（TCP/IP网络的API函数）

2. bind()函数

2.1 sockaddr

#include<arpa/inet.h>
struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family; // 协议族
    char sa_data[14]; // 14 个字节，包含套接字中的目标地址和目标端口信息
};

2.2 sockaddr_in

#include<arpa/inet.h> // 或 #include<netinet/in.h>
struct in_addr{
  In_addr_t     s_addr;      // 32位 IPv4 地址
};

struct sockaddr_in{
    sa_family_t  sin_family;  // 协议族
    uint16_t 	 sin_port;    // 16位 TCP/UDP 端口号  （端口号最大是 65535 = 2^16 - 1）
    struct 		 in_addr;     // 32位 IP 地址
	char		 sin_zero[8]; // 不使用 （为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节）
};

• sin_port 和 sin_addr 都必须是网络字节序（NBO），一般可视化的数字都是主机字节序（HBO）。
• sockaddr_in 和 sockaddr 是并列的结构，指向 sockaddr_in 的结构体的指针也可以指向 sockadd 的结构体，并代替它。

2.3 函数参数

示例：int bind(sock_fd, const struct sockaddr* address, socklen_t address_len);

• sock_fd：套接字描述符

• address：sockaddr结构指针，该结构中包含了要绑定的地址和端口号

• address_len：address缓冲区的长度

  • socklen_t 即 unsigned int
  • sizeof 的返回值也是 unsigned int

2.4 返回值

示例：

// 绑定 ip port
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9123);  // htons 主机字节序转网络字节序
// 方法1：
// INADDR_ANY 是通配地址，即本机所有 ip 都绑定上。 INADDR_ANY 转换过来就是0.0.0.0
inet_pton(AF_INET, INADDR_ANY, &addr.sin_addr.s_addr);
// 方法2：
// inet_addr()作用是将一个IP字符串转化为一个网络字节序的整数值，用于sockaddr_in.sin_addr.s_addr。
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.115");
int res = bind(sock_fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));

• res = 0：绑定成功
• res = -1：绑定失败

2.5 作用

将 addr 指向的 sockaddr 结构体中描述的一些属性（IP地址、端口号、地址簇）与 socket 套接字绑定，也叫给套接字命名。

调用 bind() 后，就为 socket 套接字关联了一个相应的地址与端口号，即发送到该地址该端口的数据可通过 socket 读取和使用。当然也可通过该 socket 发送数据到指定目的。

对于Server，bind()是必须要做的事情，服务器启动时需要绑定指定的端口来提供服务（以便于客户向指定的端口发送请求），对于服务器 socket 绑定地址，一般而言将 IP 地址赋值为 INADDR_ANY（该宏值为0），即无论发送到系统中的哪个 IP 地址（当服务器有多张网卡时会有多个 IP 地址）的请求都采用该 socket 来处理，而无需指定固定 IP。

对于 Client，一般而言无需主动调用 bind()，一切由操作系统来完成。在发送数据前，操作系统会为套接字随机分配一个可用的端口，同时将该套接字和本地地址信息绑定。

关于套接字更详细的使用，可参考：https://github.com/qiyu56/network/tree/master/udp

3. sendto() 函数

3.1 函数参数

示例：int sendto(int sock_fd, const void *buf, int len, int flags, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

• sock_fd：套接字描述符

• void *buf：UDP 数据报缓存区（包含待发送数据）

  1. void* 指针可以指向任意类型的数据：

     void *p;
     int *a;
     p = a; // a = (int *)p;
     

  2. UDP 数据报缓存区：

     1. sendto 把数据放在 sendbuf（缓冲区），通知操作系统来取
     2. 操作系统在适当的时候过来取数据，并发到网络

     这意味着：存入数据和发送数据存在时间差（异步的），如果存入数据太快太多，缓冲区会满。缓冲区满的处理：

     1. 知道缓冲区有剩余空间（阻塞）
     2. 新发送的数据没有存入缓冲区（直接丢掉）

     丢包对 UDP 来说是很正常，在使用 UDP 时就应该允许丢包

• len：UDP数据报的长度

• flags：调用方式标志位（一般设置为 \(0\)，先不掌握）

• sockaddr *address：sockaddr结构指针，该结构中包含了要发送的地址和端口号

• address_len：address缓冲区的长度

  • socklen_t 即 unsigned int
  • sizeof 的返回值也是 unsigned int

3.2 返回值

示例：

char buf[128] = "";
fgets(buf, sizeof(buf) , stdin);
int res = sendto(sock_fd , buf , strlen(buf) , 0, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));

• res = x：发送成功，\(x\) 为发送出去的字符数
• res = -1：发送失败

3.3 作用

把 UDP 数据报发给指定地址。

4. revcfrom() 函数

4.1 函数参数

示例：recvfrom(int socke_fd, const void *buf, int len, int flags, struct sockaddr *address, socklen_t *address_len)

• sock_fd：套接字描述符

• void *buf：UDP 数据报缓存区（包含所接收的数据）

  1. UDP 数据报缓存区：

     1. 操作系统不停把从网络上接收数据，缓存在 recvbuf（缓冲区） 里
     2. recvfrom从缓存区里接收数据

     这意味着：不论你是否去取数据，操作总是把数据收下来存好，recfrom是从recvbuf里取走现成的数据，如果不及时取走，则缓冲区会满。缓冲区满的处理：

     • 新的数据不被接收
     • 删除缓冲区里的现有的数据，存放新的数据。

• len：UDP数据报的长度

• flags：调用方式标志位（一般设置为 \(0\)，先不掌握）

• sockaddr *address：sockaddr结构指针，该结构中包含了发送方的地址和端口号（可以为 NULL）

• address_len：socklen_t 指针，指向了 address 结构体的长度（可以为 NULL）

4.2 返回值

示例：

char buf[128] = "";
int recv_len = recvfrom(sock_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);

• recv_len = x：接收成功，\(x\) 为接收到的字符数
• res = -1：接收失败

4.3 作用

接收发送方的网络数据。

5. 服务器代码与客户端代码

Server.cpp

#include<bits/stdc++.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
using namespace std;

int main(int argc , char *argv[]){
    cout << "Server:\n";
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sock_fd < 0) {
        perror("socket 创建失败");
        return 0;
    }
    cout << "socket 创建成功!\n";
    // 绑定 ip port
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(9123);
    // inet_pton(AF_INET, "192.168.0.111", &addr.sin_addr.s_addr);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.115"); //INADDR_ANY 通配地址，即本机所有 ip 都绑定上。 INADDR_ANY 转换过来就是0.0.0.0
    int res = bind(sock_fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
    if(res < 0) {
        perror("绑定失败");
        close(sock_fd);
        return 0;
    }
    cout << "socket 绑定（命名）成功！\n";
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    while(1){

        char buf[128] = "";
        int recv_len = recvfrom(sock_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
        printf("来自 ip 地址为 %s 端口号为 %d 的信息：%s 信息的总长度为 %d\n" , inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), buf, recv_len);
        sendto(sock_fd, buf, recv_len, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
    }
    close(sock_fd);
    return 0;
}

Client.cpp

#include<bits/stdc++.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[]){
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(9123); // 服务器端口
    inet_pton(AF_INET, "192.168.0.115", &server_addr.sin_addr.s_addr);

    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sock_fd < 0)
        perror("");

    while(1){
        char buf[128] = "";
        cin.getline(buf , sizeof(buf));
        int res = sendto(sock_fd , buf , strlen(buf) , 0, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
        char read_buf[128] = "";
        recvfrom(sock_fd, read_buf, sizeof(read_buf), 0, NULL, NULL);
        printf("共发送 %d 个字符数\n" , res);
    }
    close(sock_fd);
    return 0;
}