day-04 基于UDP的服务器端/客户端

一.理解UDP

（一）UDP套接字的特点

UDP套接字具有以下特点：

• 无连接性：UDP是一种无连接的协议，这意味着在发送数据之前，不需要在发送方和接收方之间建立连接。每个UDP数据包都是独立的，它们可以独立地发送和接收，而不需要维护连接状态。

• 不可靠性：UDP是一种不可靠的协议，这意味着它不提供数据传输的可靠性保证。UDP数据包在发送过程中可能会丢失、重复、乱序或损坏，而UDP协议本身不提供任何机制来检测和纠正这些问题。因此，应用程序需要自行处理这些问题。

• 高效性：由于UDP不需要建立连接和维护连接状态，它的开销比TCP更小，传输效率更高。UDP适用于那些对实时性要求较高，但对数据可靠性要求相对较低的应用场景，如音频和视频流传输。

• 面向数据报：UDP是一种面向数据报的协议，每个UDP数据包都是一个独立的数据报，具有固定的大小。UDP数据包的大小限制为64KB，超过这个大小的数据需要进行分片和重新组装。

• 支持多播和广播：UDP支持多播和广播功能，可以将数据同时发送给多个接收方。多播是一种一对多的通信方式，广播是一种一对所有的通信方式。

        总的来说，UDP套接字具有无连接性、不可靠性、高效性、面向数据报和支持多播和广播等特点。它适用于那些对实时性要求较高，但对数据可靠性要求相对较低的应用场景。

（二）UDP内部工作原理

UDP的内部工作原理如下：

• 创建套接字：在UDP通信之前，需要创建UDP套接字。套接字是一个网络通信的端点，用于发送和接收数据。通过调用操作系统提供的套接字API，可以创建一个UDP套接字。

• 绑定端口：在创建UDP套接字后，需要将套接字绑定到一个特定的端口上。这样，其他应用程序就可以通过指定该端口来与UDP套接字进行通信。

• 发送数据：要发送数据，应用程序将数据写入UDP套接字的发送缓冲区。操作系统将从发送缓冲区中获取数据，并将其封装成UDP数据包。然后，操作系统将UDP数据包发送到目标IP地址和端口。

• 接收数据：要接收数据，应用程序需要监听UDP套接字。当有UDP数据包到达时，操作系统将从网络中接收数据包，并将其放入UDP套接字的接收缓冲区。应用程序可以从接收缓冲区中读取数据。

• 处理数据：应用程序可以从接收缓冲区中读取数据，并对数据进行处理。由于UDP是无连接的协议，每个UDP数据包都是独立的，应用程序需要自行处理数据包的顺序、丢失、重复和损坏等问题。

• 关闭套接字：当UDP通信结束时，应用程序可以关闭UDP套接字，释放相关资源。

        总的来说，UDP的内部工作原理涉及创建套接字、绑定端口、发送数据、接收数据和处理数据等步骤。UDP是一种简单的协议，不提供连接状态维护和可靠性保证，但具有较低的开销和较高的传输效率。

（三）UDP的高效使用

要高效使用UDP，可以考虑以下几点：

• 数据包大小：UDP数据包的大小限制为64KB，超过这个大小的数据需要进行分片和重新组装。为了提高传输效率，可以尽量减小数据包的大小，避免数据分片和重新组装的开销。

• 数据压缩：对于需要传输的数据，可以考虑使用数据压缩算法进行压缩，减小数据包的大小。常见的数据压缩算法包括gzip、zlib等。

• 并发处理：UDP是无连接的协议，每个UDP数据包都是独立的。为了提高处理效率，可以使用多线程或多进程的方式，并发处理接收到的UDP数据包。

• 丢包处理：由于UDP是不可靠的协议，数据包在传输过程中可能会丢失。为了提高可靠性，可以在应用层实现丢包检测和重传机制。例如，可以使用序列号和确认应答的方式来检测丢包，并进行重传。

• 超时设置：为了避免数据包长时间滞留在网络中，可以设置合适的超时时间。如果在超时时间内没有收到对应的确认应答，可以进行重传。

• 流量控制：为了避免发送方发送过多的数据导致接收方无法及时处理，可以实现流量控制机制。例如，可以使用滑动窗口的方式控制发送方的发送速率。

• 多播和广播：UDP支持多播和广播功能，可以将数据同时发送给多个接收方。通过合理使用多播和广播，可以提高数据传输的效率。

        总的来说，要高效使用UDP，可以考虑数据包大小、数据压缩、并发处理、丢包处理、超时设置、流量控制和多播/广播等方面的优化策略。根据具体的应用场景和需求，可以选择适合的优化方法。

二.实现基于UDP的服务器端/客户端

1.UDP中的服务器端和客户端没有连接

2.UDP服务器端和客户端均只需一个套接字

3.基于UDP的数据I/O函数

基于UDP的数据I/O函数通常使用以下两个函数：

1.sendto()：该函数用于向指定的目标地址发送UDP数据包。它的函数原型如下：

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

        参数说明：

• sockfd：UDP套接字的文件描述符。
• buf：要发送的数据的指针。
• len：要发送的数据的字节数。
• flags：发送标志，通常设置为0。
• dest_addr：目标地址的结构体指针，包括IP地址和端口号。
• addrlen：目标地址结构体的长度。

        该函数将指定的数据发送到目标地址。如果发送成功，返回发送的字节数；如果发送失败，返回-1，并设置相应的错误码。

2.recvfrom()：该函数用于从指定的源地址接收UDP数据包。它的函数原型如下：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, 
                    struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

        参数说明：

• sockfd：UDP套接字的文件描述符。
• buf：接收数据的缓冲区指针。
• len：接收数据的最大字节数。
• flags：接收标志，通常设置为0。
• src_addr：源地址的结构体指针，用于存储发送方的IP地址和端口号。
• addrlen：源地址结构体的长度。

        该函数从指定的UDP套接字接收数据，并将数据存储到指定的缓冲区中。如果接收成功，返回接收的字节数；如果接收失败，返回-1，并设置相应的错误码。

4.基于UDP的回声服务器端/客户端

uecho_server.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    // 创建UDP套接字
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 绑定服务器地址和端口
    struct sockaddr_in server_address{};
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_address.sin_port = htons(8888);
    bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));

    std::cout << "服务器已启动，等待客户端连接..." << std::endl;

    while (true) {
        // 接收数据
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        struct sockaddr_in client_address{};
        socklen_t client_address_length = sizeof(client_address);
        ssize_t received_bytes = recvfrom(server_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&client_address, &client_address_length);
        buffer[received_bytes] = '\0';
        std::cout << "接收到来自客户端 " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << " 的数据：" << buffer << std::endl;

        // 发送数据回客户端
        sendto(server_socket, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&client_address, client_address_length);
    }

    return 0;
}

uecho_client.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    // 创建UDP套接字
    int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 服务器地址和端口
    struct sockaddr_in server_address{};
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    server_address.sin_port = htons(8888);

    while (true) {
        // 输入要发送的数据
        char message[BUFFER_SIZE];
        std::cout << "请输入要发送的数据：";
        std::cin.getline(message, BUFFER_SIZE);

        // 发送数据到服务器
        sendto(client_socket, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));

        // 接收服务器返回的数据
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        socklen_t server_address_length = sizeof(server_address);
        ssize_t received_bytes = recvfrom(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&server_address, &server_address_length);
        buffer[received_bytes] = '\0';
        std::cout << "接收到服务器返回的数据：" << buffer << std::endl;
    }

    return 0;
}

5.UDP的数据传输特性和调用connect函数

        UDP存在数据边界，所以调用几次 sendto 函数去发送，就调用几次 recvfrom 函数去接收。

（1）已连接（connected）UDP套接字和未连接（unconnected）UDP套接字

        sendto 函数的传输阶段

•         向UDP套接字注册目标IP和端口号
•         传输数据
•         删除UDP套接字中注册的目标地址信息

        UDP套接字默认属于未连接套接字。但在对同一主机进行通信时，过多的增删套接字中目标地址信息，很明显显得多余。所以将UDP套接字变成已连接套接字会提高效率。

三.总结

1.UDP为什么比TCP速度快？为什么TCP数据传输可靠而UDP数据传输不可靠？

        UDP和TCP不同，不进行流量控制。由于该控制涉及到套接字的连接和结束，以及整个数据收发过程，因此，TCP传输的数据是可以信赖的。相反，UDP不进行这种控制，因此无法信任数据的传输，但正因UDP不进行流量传输，所以比TCP更快。

2.UDP数据包向对方主机的UDP套接字传递过程中，IP和UDP分别负责哪些部分？

IP负责链路选择。UDP负责端到端的传输

3.UDP一般比TCP快，但更具交换数据的特点，其差异可大可小。请说明何种情况下UDP的性能优于TCP？

UDP和TCP不同，不经过连接以及断开SOCKET的过程。因此，在频繁的连接及断开的情况下，UDP的数据收发能力会凸显出更好的性能。

4.客户端TCP套接字调用connect函数时自动分配IP和端口号。UDP不调用bind函数，那什么时候分配IP和端口号？

首次调用sendto函数时，发现未分配信息，则给对应的套接字自动分配IP和端口号。

5.TCP客户端必须调用connect函数，而UDP中可以选择性调用。请问，在UDP中调用connect函数有哪些好处？

每当以UDP套接字为对象调用connect函数时，都要经过以下过程：

第一阶段：为目标UDP注册端口和IP

第二阶段：数据传输

第三阶段：删除UDP注册的IP和端口信息

其中，只要调用connect函数，就可以忽略每次传输数据时反复进行的第一阶段和第三阶段。然而，每次调用connect函数并不意味着经过连接过程，只是将IP地址和端口号指定在UDP的发送对象上。这样connect函数使用后，还可以使用write、read函数进行数据处理，而不必使用sendto、recvfrom函数。

6.收发的信息打印在控制台。

uecho_server.cpp

/********************************uchar_server.cpp***********************************/
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(const char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    if(argc != 2){
        std::cout << "Usage : " << argv[0] << " <port>" << std::endl;
        exit(1);
    }
    
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(serv_sock == -1)
        error_handling("UDP socket creation error");
    
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    
    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    while(1) 
    {
        str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0, 
                                (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        message[str_len] = 0;
        std::cout << "Message from client: " << message<<std::endl;

        std::cout << "Insert message(q to quit): ";
        std::cin.getline(message, sizeof(message));
        if(!strcmp(message,"q") || !strcmp(message,"Q"))    
            break;

        sendto(serv_sock, message, strlen(message), 0, 
                                (struct sockaddr*)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
    }   
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(const char *message)
{
    std::cerr << message << std::endl;
    exit(1);
}

uecho_client.cpp

/********************************uchar_client.cpp***********************************/
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(const char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz;
    
    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
    if(argc != 3){
        std::cout << "Usage : " << argv[0] << " <IP> <port>" << std::endl;
        exit(1);
    }
    
    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);   
    if(sock == -1)
        error_handling("socket() error");
    
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    
    while(1)
    {
        std::cout << "Insert message(q to quit): ";
        std::cin.getline(message, sizeof(message));     
        if(!strcmp(message,"q") || !strcmp(message,"Q"))    
            break;
        
        sendto(sock, message, strlen(message), 0, 
                    (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
        adr_sz = sizeof(from_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0, 
                    (struct sockaddr*)&from_adr, &adr_sz);

        message[str_len] = 0;
        std::cout << "Message from server: " << message<<std::endl;
    }   
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(const char *message)
{
    std::cerr << message << std::endl;
    exit(1);
}

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• 1.在输入数据的过程中，如果时间间隔稍微长一点，就无法完整的传输数据
• 2.无法确定是否结束传输

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