【网络编程】深入了解UDP协议：快速数据传输的利器-Toy模板网

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在计算机网络中，UDP（User Datagram Protocol）是一种重要的传输层协议，与TCP（Transmission Control Protocol）一样位于 OSI 模型的传输层。但与TCP不同，UDP提供了一种无连接、轻量级的数据传输方式，适用于需要快速传输数据的应用场景。本文将深入探讨UDP协议的特点、用途以及与TCP的对比。

一、UDP的特点

无连接性：UDP不需要在通信前建立连接，也不维护连接状态，因此它更加轻量级。这使得UDP适用于实时数据传输，如音频和视频流。
不可靠性：UDP不提供数据包的可靠性传输。这意味着数据包可能会丢失、重复或无序到达目标。因此，UDP通常用于那些可以容忍一些数据丢失的应用，如实时多媒体流。
高性能：由于不需要建立连接和维护状态信息，UDP的开销较低，具有较高的性能。这使得它成为一种适用于高吞吐量、低延迟的协议。
头部小：UDP的头部相对较小，只包含源端口、目标端口、长度和校验和等字段，这有助于减少数据传输时的开销。
多播和广播：UDP支持多播和广播，可以同时向多个接收方发送数据包，适用于一对多或多对多通信。

二、UDP的用途

UDP在许多应用中发挥着重要作用，包括但不限于：

实时音视频传输：VoIP电话、视频会议和直播流都使用UDP来传输实时音视频数据，因为它具有低延迟和快速传输的特性。
DNS查询：域名系统（DNS）使用UDP来快速查询域名解析。
游戏数据传输：在线游戏经常使用UDP来传输游戏数据，以确保低延迟和实时性。
网络广播：UDP用于发送广播消息，例如局域网内的设备发现和服务广告。

三、UDP实现服务器与客户端相互通信

在此之前我们已经学习掌握了TCP/IP实现服务器与客户端通信，链接我放这里：

【网络编程】TCP传输控制协议（Transmission Control Protocol）_祐言QAQ的博客-CSDN博客

那么现在让我们一起来学习一下UDP如何实现通信。

1.UDP服务器与客户端设计思路

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不难看出其中与TCP通信有几个不同点：

①套接字类型：

TCP使用 SOCK_STREAM 表示流式套接字，这意味着它提供面向连接的、可靠的、基于字节流的通信；
UDP使用 SOCK_DGRAM 表示数据报套接字，这表明它提供无连接的、不可靠的、基于数据报的通信。

②通信流程：

在TCP中，通信需要经过 listen、accept 和 connect 过程，其中建立连接是必要的；
在UDP中，通信是无连接的，不需要建立连接，因此不需要进行 listen、accept 和 connect 步骤。

③收发数据的函数：

在TCP中，通常使用 recv 和 send 函数来进行数据的接收和发送；
在UDP中，通常使用 recvfrom 和 sendto 函数来进行数据的接收和发送。这些函数需要指定目标地址，因为UDP是无连接的，每个数据包都需要包含目标地址信息。

2.具体实现代码

udp_server.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// 定义一个结构体用于存储客户端信息
struct Client
{
	struct sockaddr_in addr; // 客户端地址结构体
	int ser_socket;         // 服务器套接字
};

// 线程函数，用于发送数据
void *send_data(void *arg)
{
	struct Client *cli = (struct Client *)arg;
	char buf[1024];

	while (1)
	{
		scanf("%[^\n]", buf); // 从用户输入读取数据
		while (getchar() != '\n');

		// 发送数据到客户端
		sendto(cli->ser_socket, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&(cli->addr), sizeof(cli->addr));
	}
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
	if (argc != 2)
	{
		printf("./server <port>\n");
		return -1;
	}

	// 创建套接字socket
	int ser_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (ser_socket == -1)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}

	// 设置套接字属性，SO_REUSEADDR 允许地址端口重用
	int on = 1;
	if (setsockopt(ser_socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) == -1)
	{
		perror("setsockopt");
		return -1;
	}

	// 初始化地址结构体
    struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;   							// 地址簇
	addr.sin_port = atoi(argv[1]);							// 端口（一般以传参的传进来）
	// addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.128");	// IP地址
	addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);				// 用特殊的"0.0.0.0"这个IP来绑定本机IP地址

	// bind 绑定IP跟PORT
	int b = bind(ser_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(b == -1)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("绑定成功\n");

	struct sockaddr_in c_addr;		// IPV4地址结构体
	int addrlen = sizeof(c_addr);
	char buf[1024];

	// 接收客户端的第一条消息
	recvfrom(ser_socket, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&c_addr, &addrlen);
	printf("[%s] [%d]：%s\n", inet_ntoa(c_addr.sin_addr), c_addr.sin_port, buf);

	struct Client cli;
	cli.addr = c_addr;
	cli.ser_socket = ser_socket;

	// 创建一个线程用来发送数据
	pthread_t pid;
	pthread_create(&pid, NULL, send_data, &cli);

	// 接收/发送数据 recvfrom/sendto
	while(1)
	{
		bzero(buf, sizeof(buf));
		// 每接收一条客户端发送的信息，保存一次客户端的IP+PORT
		recvfrom(ser_socket, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&c_addr, &addrlen);
		// 第一次接收，创建线程发送数据，将套接字，对方的IP地址传递给线程任务函数
		printf("[%s] [%d]：%s\n", inet_ntoa(c_addr.sin_addr), c_addr.sin_port, buf);
	}

	// 关闭套接字close
	close(ser_socket);

	return 0;
}

udp_client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// 线程函数，用于接收数据
void *recv_data(void *arg)
{
	int cli_socket = *(int *)arg;
	struct sockaddr_in c_addr;
	int addrlen = sizeof(c_addr);
	char buf[1024];

	while(1)
	{
		bzero(buf, sizeof(buf));
		// 每接收一条客户端发送的信息，保存一次客户端的IP+PORT
		recvfrom(cli_socket, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&c_addr, &addrlen);
		printf("[%s] [%d]：%s\n", inet_ntoa(c_addr.sin_addr), c_addr.sin_port, buf);
	}
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("./client <ip> <port>\n");
		return -1;
	}

	// (1) 创建套接字socket
	int cli_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (cli_socket == -1)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}

	// (2) 初始化地址结构体（服务器的）
	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;   				// 地址簇
	addr.sin_port = atoi(argv[2]);				// 服务器端的端口（一般以传参的传进来）
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);	// 服务器端的IP地址（一般以传参的传进来）

	// 先发一条上线的消息给server
	char buf[1024] = "on line";
	sendto(cli_socket, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

	// 创建线程用来接收数据
	pthread_t pid;
	pthread_create(&pid, NULL, recv_data, &cli_socket);

	// (3) 发送数据
	while(1)
	{
		scanf("%[^\n]", buf); // 从用户输入读取数据
		while(getchar()!='\n');

		// 发送数据buf
		sendto(cli_socket, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
	}

	// (5) 关闭套接字close
	close(cli_socket);

	return 0;
}

四、UDP套接字获取和设置

在UDP套接字编程中，你可以使用 getsockopt 和 setsockopt 函数来获取和设置套接字的属性。以下是一些常见的UDP套接字属性以及如何使用这两个函数来处理它们：

获取套接字属性（使用 getsockopt 函数）：

SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF：

功能：获取套接字的接收缓冲区和发送缓冲区的大小。

示例代码：

int buffer_size;
socklen_t optlen = sizeof(buffer_size);
getsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffer_size, &optlen);
// 现在 buffer_size 中包含接收缓冲区的大小

SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO：

功能：获取套接字的接收超时时间和发送超时时间。

示例代码：

struct timeval timeout;
socklen_t optlen = sizeof(timeout);
getsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, &optlen);
// 现在 timeout 中包含接收超时时间

设置套接字属性（使用 setsockopt 函数）：

SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF：

功能：设置套接字的接收缓冲区和发送缓冲区的大小。

示例代码：

int buffer_size = 8192; // 设置缓冲区大小
setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffer_size, sizeof(buffer_size));

SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO：

功能：设置套接字的接收超时时间和发送超时时间。

示例代码：

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5; // 设置超时时间为5秒
timeout.tv_usec = 0;
setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));

这些是一些常见的UDP套接字属性设置选项。可以根据需要使用 getsockopt 和 setsockopt 函数来获取和设置套接字的其他属性，具体选项取决于你的应用程序的需求。套接字属性设置允许你自定义套接字的行为，以满足不同的网络通信需求。在上面的服务端与客户端通信中也有用到一些示例。