基于C++实现UDP 通信程序设计

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UDP 通信程序设计

【实验名称】

基于 UDP 丢包统计程序设计

【实验目的】

选择一个操作系统（Linux 或者 Windows），编制 UDP/IP 通信程序，完成一定的通信功能。

【实验要求】

在发送 UDP 数据包时做一个循环，连续发送 100 个数据包；在接收端统计丢失的数据包。

实验时，请运行 Wireshark 软件，对通信时的数据包进行跟踪分析。

【实验原理】

以上为一般 UDP 网络编程的流程图，在本次实验中仅涉及客户端发送数据和服务器接收数据，因此本次实验的实

验流程图如下：

【实验内容】根据流程图开始编程，下面进行代码分析：

客户端代码 UDP_Cli.cpp

1.1 /创建 Socket/

SOCKET sockCli = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); if (sockCli < 0) { cout << "Failed." << endl; return -1; } cout << "Create socket successfully." << endl;

调用库函数 socket 创捷套接字，若返回值 <0 则说明创建套接字失败，退出程序。

socket 声明如下：

WINSOCK_API_LINKAGE SOCKET WSAAPI socket(int af,int type,int protocol);

第一个参数指明了协议簇，目前支持 5 种协议簇，最常用的有 AF_INET(IPv4 协议)和 AF_INET6(IPv6 协议)；第二个参数指明套接口类型，有三种类型可选：SOCK_STREAM(字节流套接口)、SOCK_DGRAM(数据报套接口)和 SOCK_RAW(原始套接口)；如果套接口类型不是原始套接口，那么第三个参数就为 0。 在本次实验中使用 AF_INET 协议簇，SOCK_DGRAM 数据报接口，第三个参数为 UDP 的 protocol。

/*向指定地址和端口收发数据*/ char recvBuf[BUFSIZE]; //接受数据的缓冲区 string sendBu= "Hello server! This is a packet. Data："; //发送数据的缓冲区 char tmp[BUFSIZE]; SOCKADDR_IN addr_server; //服务器的地址数据结构 addr_server.sin_family = AF_INET; addr_server.sin_port = htons(6666); //端口号为6666 addr_server.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1"); //127.0.0.1为本电脑IP地址 int server_len = sizeof(addr_server); for (int i = 1; i <= 100; i++){ itoa((rand() % 100000), tmp, 10); string sendBuf = sendBu + tmp; err = sendto(sockCli, sendBuf.data(), sendBuf.size(), 0, (SOCKADDR *)&addr_server, sizeof(SOCKADDR)); //发送 if (err < 0){ cout << "Sendto failed."<< endl; return -1; } else { cout << "Packet " << i << " has been sent." << endl; } }

使用 sendto 函数向客户端发送 100 个数据包，若发送成功则输出报告，失败则退出程序。每个数据包包括一句固定的问候语和需要发送的数据，在这里为 0~99999 的一个随机数，以字节为单位发送。

WINSOCK_API_LINKAGE int WSAAPI sendto(SOCKET s,const char *buf,int len,int flags,const str uct sockaddr *to,int tolen);

sendto 函数：UDP 使用 sendto()函数发送数据，他类似于标准的 write()，但是在 sendto()函数中要指明目的地址。前三个参数等同于函数 read()的前三个参数，flags 参数是传输控制标志。参数 to 指明数据将发往的协议地址，他的大小由 addrlen 参数来指定。

它返回发送数据的长度大于或等于 0 说明发送成功，失败则返回-1。

/*关闭套接字*/ closesocket(sockCli);

发送完毕后关闭套接字。

服务端代码 UDP_Ser.cpp

1.2 /创建 Socket/

int sockSev = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); if (sockSev < 0) { cout << "Failed to create socket." << endl; return -1; } cout << "Create socket successfully." << endl;

过程和客户端大致相同。

1.3 /绑定 socket 和端口号/

SOCKADDR_IN addr_server; //服务器的地址数据结构 addr_server.sin_family = AF_INET; addr_server.sin_port = htons(6666); //端口号为6666 addr_server.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("172.19.1.207"); //172.19.1.207为本电脑IP 地址 if (bind(sockSev, (SOCKADDR *)&addr_server, sizeof(addr_server)) == SOCKET_ERROR) { cout<<"Failed to bind."<< endl; closesocket(sockSev); WSACleanup(); return 0; } else cout << "Bind successfully." << endl;

创建服务器的地址数据结构并对其进行协议簇、端口号和 IP 地址的配置，再使用 bind 函数将创建好的 socket 绑定到该地址上。

WINSOCK_API_LINKAGE int WSAAPI bind(SOCKET s,const struct sockaddr *name,int namelen);

• bind 函数描述：把一个地址族中的特定地址赋给 socket 参数解释： s：指的是通过 socket()创建的描述字，唯一标识一个 socket。
• name：一个指针，指向要绑定的协议地址。
• namelen：该地址结构体的长度

/*向指定地址和端口收发数据*/ char recvBuf[BUFSIZE]; //接受数据的缓冲区 SOCKADDR_IN addr_client; //用于接收用户的ip地址和端口号等信息 int client_len = sizeof(addr_client); int count = 0; while(true){ int last = recvfrom(sockSev, recvBuf, BUFSIZE, 0, (SOCKADDR *)&addr_client, &clien t_len); if (last <= 0) { cout << "Recvfrom Error!" << endl; continue; } else { cout << "Recvfrom:" << setw(7) << recvBuf; cout << " Count:" << ++count << endl; } }

使用 recvfrom 函数监听发送来的数据，若接收成功则输出结果。同时使用 count 来累计成功接收到的数据包的个数。

WINSOCK_API_LINKAGE int WSAAPI recvfrom(SOCKET s,char *buf,int len,int flags,struct socka ddr *from,int *fromlen);

参数解释： s：标识一个已连接套接口的描述字。

buf：接收数据缓冲区。 len：缓冲区长度。 flags：调用操作方式。 from：（可选）指针，指向装有源地址的缓冲区。 fromlen：（可选）指针，指向 from 缓冲区长度值。

由于 Windows 系统下使用 socket 需进行注册，注册过程如下：

1.4 /Winsocket 注册过程/

WORD wVersionRequested = MAKEWORD( 2, 0 ); // 请求WinSock库，高字节指明副版本，低字节指明主版本 WSADATA wData; // 这结构是用于接收Wjndows Socket的结构信息的（版本信息） int err; err = WSAStartup(wVersionRequested, &wData); //Winsock服务初始化 if ( err != 0 ) { cout << "Initialize failed."<<endl; return -1; // 返回值为零时表示成功WSAStartup }

• 这段代码需要被放在客户端和服务器的代码中。
• 互联网环境
• 使用公网上的 UDP 的 echo 服务，将客户端本机地址与套接字绑定，进入监听，以便能接收到 echo。

SOCKADDR_IN addr_client; //服务器的地址数据结构 addr_client.sin_family = AF_INET; addr_client.sin_port = htons(6789); //端口号为6789 addr_client.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1"); //127.0.0.1为本电脑IP地址 if (bind(sockCli, (SOCKADDR *)&addr_client, sizeof(addr_client)) == SOCKET_ERROR) { cout<<"Failed to bind."<< endl; closesocket(sockCli); WSACleanup(); return 0; } else cout << "Bind successfully." << endl;

将目标地址设置为公网上的地址

SOCKADDR_IN addr_server; //服务器的地址数据结构 addr_server.sin_family = AF_INET; addr_server.sin_port = htons(6789); addr_server.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("8.129.101.161");

每次发送后接收 echo

1.5 //接收 echo 的数据

int last = recvfrom(sockCli, recvBuf, BUFSIZE, 0, (SOCKADDR *)&addr_recv, &recv_le n); if (last <= 0) { cout << "Recvfrom Error!" << endl; continue; } else { cout << "Recvfrom:" << setw(7) << recvBuf; cout << " Count:" << ++count << endl; }

• 【实验结果】
• 局域网环境下：
• 同时运行客户端程序和服务器程序，客户端界面如下：

可以看到 socket 创建成功，并陆续向目的地址发送数据包。

成功发送 100 个数据包，如下所示：

此时在服务器端看到服务器的 socket 创建成功，并成功 bind 上本机地址，开始陆续接收到来自客户端发送的数据，同时统计接收到的数据包的数量。

最终成功接收到 100 个数据包，无丢包的情况发生：

同时使用 wireshark 抓取数据包，可以看到 127.0.0.1（本机地址）发送了 100 个 UDP 类型的数据包：

可以看到发送方的 ip 地址（主机地址）目的地的 ip 地址（也是主机地址）均为 127.0.0.1，目的地端口为 6666，正是本次实验所使用的端口。

互联网环境下运行客户端程序，向目的地址发送 100 个数据包，可以看到每发送一个数据包就显示了发送成功，同时监听到发回来的信号：

最终成功发送 100 个数据包，成功接收到发回的 100 个数据包。

【实验思考】

引起 UDP 丢包的可能原因是什么？

答：UDP 丢包的可能原因有如下几点：

接收端处理时间过长导致丢包：调用 recvfrom 方法接收端收到数据后，处理数据花了一些时间，处理完后再次调用 recvfrom 方法，在这二次调用间隔里,发过来的包可能丢失。对于这种情况可以修改接收端，将包接收后存入一个缓冲区，然后迅速返回继续 recvfrom。

发送的包巨大丢包：虽然 sendto 方法会帮你做大包切割成小包发送的事情，但包太大也不行。例如超过 50K的一个 udp 包，不切割直接通过 sendto 方法发送也会导致这个包丢失。这种情况需要切割成小包再逐个 sendto。

发送的包较大，超过接受者缓存导致丢包：几个大的 udp 包可能会超过接收者的缓冲。发送的包频率太快。

UDP 是无连接的，面向消息的数据传输协议，与 TCP 相比，有两个致命的缺点，一是数据包容易丢失，二是数据包无序。UDP 丢包是正常现象，因为它是不安全的。在本次实验中，我尝试了多次都没有丢包的现象，经过分析可能是因为发送的数据包太小（都不超过 1kb），或者是网络环境较好。