UDP原理和极简socket编程demo

一、通信基石：端口和五元组

什么是五元组

在TCP/IP协议中，标识一个唯一的通信连接需要五个元素：

• 源IP
• 源端口号
• 目的IP
• 目的端口号
• 协议号（如TCP或UDP）

在Linux中，可以使用netstat -n命令查看这些信息

端口号划分

• 知名端口号0~1023
• 私有端口号：1024~65535

一个进程可以绑定多个端口号吗？

可以，一个进程可以创建多个Socket文件描述符，每个Socket都可以绑定一个独立的端口

一个端口号可以被多个进程绑定吗？

默认不行，有特例

• 若进程A绑定了8080，进程B再绑定8080，OS会抛出”地址被使用“错误
• 特例：如果使用了setsockopt设置了SO_REUSEADDR或SO_REUSEPORT

二、 UDP报文结构

UDP协议头格式

UDP头部固定8个字节，协议就是结构体：

在内核视角下：

structudphdr{uint16_tsource;// 16位源端口号uint16_tdest;// 16位目的端口号uint16_tlen;// UDP长度（报头+数据）uint16_tcheck;// 校验和};

怎么解包？

OS读取报文的前8个字节，剩下的内容就是有效载荷

怎么分用？

基于16位目的端口号，内核根据这个端口号，把数据推送绑定了该端口的应用层进程的接收缓冲区当中

UDP的痛点：16位长度的限制

UDP长度只有16位，则为216−1=655352^{16} - 1= 65535216−1=65535，这意味着一个UDP包（包含头部）最大只能是64KB

如果UDP要上传大于64KB的数据怎么办？

必须在应用层手动分包，程序员自己实现把大文件切成小块，发送过去，再接收拼装

UDP特点

• 面向数据报

  • 定义：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样转发，不拆分，也不合并

• 缓冲区机制：

  • 发送缓冲区：UDP没有真正意义上的缓冲区，调用sendto会直接交给内核，内核拷贝给网卡驱动

  • 接收缓冲区：UDP有接收缓冲区

    • 接收缓冲区不能保证收到数据包的顺序和发送顺序一致
    • 丢包：如果接收缓冲区满了，新到达的数据就会直接被丢弃

  • 怎么做到数据转发？

    应用层调用sendto发数据时：

    1. 数据从应用层拷贝到传输层
    2. 内核在数据前添加UDP报头
    3. 继续交给下层处理

总结：

• 面向数据报：上层给我什么样，我就加个报头，不做任何处理向下层交付
• 无连接：知道对方的IP和端口号就直接传输，无需连接
• 不可靠：没有确认机制，没有重传机制，如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议也不会给应用层返回任何错误信息

三、 UDP Socket编程demo

服务端

#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<cstring>#include<unistd.h>#definePORT8080#defineBUFFER_SIZE1024intmain(){// 1. 创建套接字 socket// AF_INET: IPv4// SOCK_DGRAM: UDP数据报类型// 0: 默认intsockfd=::socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){std::cerr<<"socket create err"<<errno<<std::endl;return-1;}// 2. 填充服务器地址结构体structsockaddr_inserver_addr;memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr));// 清零，防止垃圾数据server_addr.sin_family=AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;// 接收任意网卡的连接server_addr.sin_port=::htons(PORT);// 端口转网络字节序// 3. 绑定 bind// 必须绑定，否则客户端不知道发给谁if(::bind(sockfd,(structsockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr))<0){std::cerr<<"bind err"<<errno<<std::endl;return-1;}std::cout<<"UDP Server is running on port "<<PORT<<"..."<<std::endl;charbuffer[BUFFER_SIZE];structsockaddr_inclient_addr;// 必须保护客户端的信息socklen_t len=sizeof(client_addr);// 必须初始化为结构体的大小while(1){// 4. 接收数据 recvfrom// 最后两个参数是输出型参数，内核会把"谁发的"填进去intn=::recvfrom(sockfd,(char*)buffer,BUFFER_SIZE,0,(structsockaddr*)&client_addr,&len);buffer[n]='\0';std::cout<<"Client : "<<buffer<<std::endl;// 5. 发送回复 sendtoconstchar*hello="hello from server";::sendto(sockfd,(constchar*)hello,strlen(hello),0,(conststructsockaddr*)&client_addr,len);}close(sockfd);return0;}

客户端

#include<iostream>#include<cstring>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<unistd.h>#definePORT8080#defineSERVER_IP"127.0.0.1"// 本地回环测试intmain(){// 1. 创建套接字intsockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd<0){perror("socket creation failed");return-1;}// 2. 填充目标（服务器）地址信息structsockaddr_inservaddr;memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));servaddr.sin_family=AF_INET;servaddr.sin_port=htons(PORT);// 将字符串IP转换为网络字节序servaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(SERVER_IP);// 3. 直接发送 (Sendto)constchar*hello="Hello from Client";// 注意：UDP是无连接的，必须在发的时候指定发给谁 (&servaddr)sendto(sockfd,(constchar*)hello,strlen(hello),0,(conststructsockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));std::cout<<"Message sent."<<std::endl;// 4. 接收回复 (Recvfrom)charbuffer[1024];socklen_t len=sizeof(servaddr);// 这里也可以传 NULL，如果你不关心是谁回你的（但在UDP中最好校验源地址）intn=recvfrom(sockfd,(char*)buffer,1024,0,(structsockaddr*)&servaddr,&len);buffer[n]='\0';std::cout<<"Server : "<<buffer<<std::endl;close(sockfd);return0;}