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program:c:socket_udp_詳解

Socket UDP 詳解

和TCP套接字一樣,UDP套接字也通過socket( )函數創建,不同的是UDP套接字可以通過一個套接字描述符在不同的主機之間發送和接 收報文。

創建UDP客戶端的典型過程為:首先調用socket( )函數,接下來定義發送和接收數據的遠程主機和端口,然後將套接字傳遞給 connect( )函數。套接字描述符在後面會用於發送和接收數據。除此之外,發送數據的目標主機和端口可以在數據「寫入」時指定, 這樣就可以用一個套接字發送數據到多個主機。

UDP數據報的發送可以使用write( )、send( )或sendto( )函數。如果使用write( )或send( ),則必須事先以UDP套接字為參數調用 connect( )函數,此外,如果使用sendto( )函數則可以在發送數據時再指定目標地址及端口。接收UDP數據報可以使用read( )、 recv( )或recvfrom( )函數。如果使用read( )或recv( ),則必須事先調用connect( )函數;如果使用recvfrom( ),則可以在接收 數據報時獲得源IP地址和端口。

與TCP不同的是,在UDP套接字上收發的數據是作為單獨的單元接收或發送的,而不是作為字節流。每次調用write( )、send( )、或 sendto( )函數都會在線路上產生一個UDP數據報。接收到的UDP數據報的讀取也是一個單獨的操作,如果讀取報文時提供的緩衝區長 度不夠,則會返回一個出錯代碼。

如果UDP數據報的長度超出了本地或者任意一個必經的網絡上的最大片長度,則必須進行分段,這在性能上會有不良影響,因此有些 操作系統對此做了限制或者不予支持。

一、引言

UDP是TCP/IP協議中的傳輸層協議的一種,本文介紹了在Linux下編寫基於UDP協議的Client/Server模型的程序的方法,並給出了一個echo Client/Server例子程序。

二、UDP協議簡介

UDP是一種簡單的傳輸層協議,在RFC768中有詳細描述。UDP協議是一種非連接的、不可靠的數據報文協議,完全不同於提供面向連接的、可靠的字節流的TCP協議。雖然UDP有很多不足,但是還是有很多網絡程序使用它,例如DNS(域名解析服務)、NFS(網絡文件系統)、SNMP(簡單網絡管理協議)等。

通常,UDP Client程序不和Server程序建立連接,而是直接使用sendto()來發送數據。同樣,UDP Server程序不需要允許Client程序的連接,而是直接使用recvfrom()來等待直到接收到Client程序發送來的數據。

這裡,我們使用一個簡單的echo Client/Server程序來介紹在Linux下編寫UDP程序的方法。Client程序從stdin讀取數據並通過網絡發送到Server程序,Server程序在收到數據後直接再發送回Client程序,Client程序收到Server發回的數據後再從stdout輸出。

三、UDP Server程序

1、編寫UDP Server程序的步驟

(1)使用socket()來建立一個UDP socket,第二個參數為SOCK_DGRAM。

(2)初始化sockaddr_in結構的變量,並賦值。sockaddr_in結構定義:

struct sockaddr_in {
 
uint8_t sin_len;
 
sa_family_t sin_family;
 
in_port_t sin_port;
 
struct in_addr sin_addr;
 
char sin_zero[8];
 
};

這裡使用「08」作為服務程序的端口,使用「INADDR_ANY」作為綁定的IP地址即任何主機上的地址。

(3)使用bind()把上面的socket和定義的IP地址和端口綁定。這裡檢查bind()是否執行成功,如果有錯誤就退出。這樣可以防止服務程序重複運行的問題。

(4)進入無限循環程序,使用recvfrom()進入等待狀態,直到接收到客戶程序發送的數據,就處理收到的數據,並向客戶程序發送反饋。這裡是直接把收到的數據發回給客戶程序。

2、udpserv.c程序內容:

#include <sys/types.h>
 
#include <sys/socket.h>
 
#include <string.h>
 
#include <netinet/in.h>
 
#include <stdio.h>
 
#include <stdlib.h>
 
#define MAXLINE 80
 
#define SERV_PORT 8888
 
void do_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
 
{
 
int n;
 
socklen_t len;
 
char mesg[MAXLINE];
 
for(;;)
 
{
 
len = clilen;
 
/* waiting for receive data */
 
n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
 
/* sent data back to client */
 
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
 
}
 
}
 
int main(void)
 
{
 
int sockfd;
 
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
 
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* create a socket */
 
/* init servaddr */
 
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
 
servaddr.sin_family = AF_INET;
 
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 
/* bind address and port to socket */
 
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
 
{
 
perror("bind error");
 
exit(1);
 
}
 
do_echo(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
 
return 0;
 
}

四、UDP Client程序

1、編寫UDP Client程序的步驟

(1)初始化sockaddr_in結構的變量,並賦值。這裡使用「8888」作為連接的服務程序的端口,從命令行參數讀取IP地址,並且判斷IP地址是否符合要求。

(2)使用socket()來建立一個UDP socket,第二個參數為SOCK_DGRAM。

(3)使用connect()來建立與服務程序的連接。與TCP協議不同,UDP的connect()並沒有與服務程序三次握手。上面我們說了UDP是非連接的,實際上也可以是連接的。使用連接的UDP,kernel可以直接返回錯誤信息給用戶程序,從而避免由於沒有接收到數據而導致調用recvfrom()一直等待下去,看上去好像客戶程序沒有反應一樣。

(4)向服務程序發送數據,因為使用連接的UDP,所以使用write()來替代sendto()。這裡的數據直接從標準輸入讀取用戶輸入。

(5)接收服務程序發回的數據,同樣使用read()來替代recvfrom()。

(6)處理接收到的數據,這裡是直接輸出到標準輸出上。

2、udpclient.c程序內容:

#include <sys/types.h>
 
#include <sys/socket.h>
 
#include <string.h>
 
#include <netinet/in.h>
 
#include <stdio.h>
 
#include <stdlib.h>
 
#include <arpa/inet.h>
 
#include <unistd.h>
 
#define MAXLINE 80
 
#define SERV_PORT 8888
 
void do_cli(FILE *fp, int sockfd, struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
 
{
 
int n;
 
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
 
/* connect to server */
 
if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen) == -1)
 
{
 
perror("connect error");
 
exit(1);
 
}
 
while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
 
{
 
/* read a line and send to server */
 
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
 
/* receive data from server */
 
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
 
if(n == -1)
 
{
 
perror("read error");
 
exit(1);
 
}
 
recvline[n] = 0; /* terminate string */
 
fputs(recvline, stdout);
 
}
 
}
 
int main(int argc, char **argv)
 
{
 
int sockfd;
 
struct sockaddr_in srvaddr;
 
/* check args */
 
if(argc != 2)
 
{
 
printf("usage: udpclient <IPaddress>/n");
 
exit(1);
 
}
 
/* init servaddr */
 
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
 
servaddr.sin_family = AF_INET;
 
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 
if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
 
{
 
printf("[%s] is not a valid IPaddress/n", argv[1]);
 
exit(1);
 
}
 
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
do_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
 
return 0;
 
}

五、運行例子程序

1、編譯例子程序

使用如下命令來編譯例子程序:

gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
 
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c

編譯完成生成了udpserv和udpclient兩個可執行程序。

2、運行UDP Server程序

執行./udpserv &命令來啟動服務程序。我們可以使用netstat -ln命令來觀察服務程序綁定的IP地址和端口,部分輸出信息如下:

Active Internet connections (only servers)

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State

tcp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 0.0.0.0:6000 0.0.0.0:* LISTEN

tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN

udp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:8888 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:*

udp 0 0 0.0.0.0:882 0.0.0.0:*

可以看到udp處有「0.0.0.0:8888」的內容,說明服務程序已經正常運行,可以接收主機上任何IP地址且端口為8888的數據。

如果這時再執行./udpserv &命令,就會看到如下信息:

bind error: Address already in use

說明已經有一個服務程序在運行了。

3、運行UDP Client程序

執行./udpclient 127.0.0.1命令來啟動客戶程序,使用127.0.0.1來連接服務程序,執行效果如下:

Hello, World!

Hello, World!

this is a test

this is a test

^d

輸入的數據都正確從服務程序返回了,按ctrl+d可以結束輸入,退出程序。

如果服務程序沒有啟動,而執行客戶程序,就會看到如下信息:

====== 改寫 ======
===== UDP Client =====
<code c discovery.c>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <ctype.h>
 
 
#define SERVERPORT 14675
#define MAXLINE 128
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in their_addr;
	struct hostent *he;
	int i,j,sendline_count,numbytes;
	int broadcast = 1;
	unsigned char sendline[MAXLINE];
 
	if (argc != 5) {
		printf("usage: Model_Name Device_Name Workgroup Firmware_version\n");
		exit(1);
	}
 
	if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
		perror("socket");
		exit(1);
	}
 
	// this call is the difference between this program and talker.c:
	if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast,
		sizeof broadcast) == -1) {
		perror("setsockopt (SO_BROADCAST)");
		exit(1);
	}
 
	their_addr.sin_family = AF_INET;	 // for IPv4
	their_addr.sin_port = htons(SERVERPORT); // Host to Network Short
	//their_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST; //INADDR_BROADCAST address (255.255.255.255) 若有雙網卡, 則須看 route 指定的 0.0.0.0 的 interface
	//their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.24"); // 到 192.168.100.24
	their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.255"); // 到 192.168.100.x
	memset(their_addr.sin_zero, '\0', sizeof their_addr.sin_zero);
	memset(sendline, 0x0, 71);
 
	//分別將 Modelname, DeviceName, GroupName, Version 填入sendline中
	sendline_count = 0; 
	for(j=1; j<5; j++)
	{
		char tmp[30];
		strcpy(tmp,argv[j]);
		for(i=0; i<strlen(tmp); i++)
		{
			sendline[i+sendline_count] = tmp[i];
		}
		//分隔字元
		sendline[sendline_count+strlen(tmp)] = 0x2;
 
		//設定目前 sendline 長度
		sendline_count += strlen(tmp);
		sendline_count++;
 
		//printf("%s,%i --> %s\n",tmp,sendline_count,sendline);
	}
 
	if ((numbytes=sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0,
			 (struct sockaddr *)&their_addr, sizeof their_addr)) == -1) {
		perror("sendto");
		exit(1);
	}
 
  shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
	close(sockfd);
 
	return 0;
}

$ ./udpclient 127.0.0.1

test

read error: Connection refused </code> 說明指定的IP地址和端口沒有服務程序綁定,客戶程序就退出了。這就是使用connect()的好處,注意,這裡錯誤信息是在向服務程序發送數據後收到的,而不是在調用connect()時。如果你使用tcpdump程序來抓包,會發現收到的是ICMP的錯誤信息。

改寫

UDP Client

discovery.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <ctype.h>
 
 
#define SERVERPORT 14675
#define MAXLINE 128
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in their_addr;
	struct hostent *he;
	int i,j,sendline_count,numbytes;
	int broadcast = 1;
	unsigned char sendline[MAXLINE];
 
	if (argc != 5) {
		printf("usage: Model_Name Device_Name Workgroup Firmware_version\n");
		exit(1);
	}
 
	if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
		perror("socket");
		exit(1);
	}
 
	// this call is the difference between this program and talker.c:
	if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast,
		sizeof broadcast) == -1) {
		perror("setsockopt (SO_BROADCAST)");
		exit(1);
	}
 
	their_addr.sin_family = AF_INET;	 // for IPv4
	their_addr.sin_port = htons(SERVERPORT); // Host to Network Short
	//their_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST; //INADDR_BROADCAST address (255.255.255.255) 若有雙網卡, 則須看 route 指定的 0.0.0.0 的 interface
	//their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.24"); // 到 192.168.100.24
	their_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.100.255"); // 到 192.168.100.x
	memset(their_addr.sin_zero, '\0', sizeof their_addr.sin_zero);
	memset(sendline, 0x0, 71);
 
	//分別將 Modelname, DeviceName, GroupName, Version 填入sendline中
	sendline_count = 0; 
	for(j=1; j<5; j++)
	{
		char tmp[30];
		strcpy(tmp,argv[j]);
		for(i=0; i<strlen(tmp); i++)
		{
			sendline[i+sendline_count] = tmp[i];
		}
		//分隔字元
		sendline[sendline_count+strlen(tmp)] = 0x2;
 
		//設定目前 sendline 長度
		sendline_count += strlen(tmp);
		sendline_count++;
 
		//printf("%s,%i --> %s\n",tmp,sendline_count,sendline);
	}
 
	if ((numbytes=sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0,
			 (struct sockaddr *)&their_addr, sizeof their_addr)) == -1) {
		perror("sendto");
		exit(1);
	}
 
  shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
	close(sockfd);
 
	return 0;
}
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