【Linux后端服务器开发】UDP协议

目录

一、端口号

二、UDP报头格式

三、UDP的特点

四、UDP协议实现网络聊天群

一、端口号

端口号port标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序。

  • 0 ~ 1023：系统端口号，HTTP、FTP、SSH等这些广为使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的系统端口号（知名端口号）
  • 1024 ~ 65535：操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号，可有操作系统分配或程序员分配（普通端口号）

知名端口号（Well-Know Port Number）：

  • ftp服务器：21
  • ssh服务器：22
  • telnet服务器：23
  • http服务器：80
  • https服务器：443

查看知名端口号：cat /etc/services

netstat：一个用来查看网络状态的重要工具

语法：netstat -[选项]

  • n：拒绝显示别名，能显示数字的全部显示数字
  • l：仅列出有在 listen 状态的服务状态
  • p：显示建立相关连接的程序名
  • t：仅显示tcp相关选项
  • u：仅显示udp相关选项
  • a：显示所有选项，默认不显示 listen 相关

pidof：查看服务器的进程id（通过进程名查看进程id）

语法：pidof [进程名]

端口号   ----->   进程（唯一关系）

  • 一个端口号是否可以被多个进程bind？不可以，端口号指向进程必须唯一
  • 一个进程是否可以绑定多个端口号？可以，进程指向端口号不一定唯一

二、UDP报头格式

  • 16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度（64K）
  • 如果检验和出错，数据直接丢弃 
  • 定长报头，报头的本质是结构化数据

 

三、UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信：

  • 无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接
  • 不可靠：没有确认机制，没有重传机制，如果因为网络故障导致数据段无法发送，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息
  • 面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并，不能够灵活的控制读写数据的次数和数量

        

UDP的缓冲区：

  • UDP没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，由内核将数据报传给网络层协议进行后续的传输处理
  • UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文的顺序和发送UDP报文的顺序一致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃

UDP的socket既能读，也能写，这就是全双工概念。

基于UDP的常用应用层协议：

  • NFS：网络文件系统
  • TFTP：简单的文件传输协议
  • DHCP：动态主机配置协议
  • BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
  • DNS：域名解析协议

UDP协议的应用场景多为视频网站、直播平台等不担心数据包丢失的情况。

四、UDP协议实现网络聊天群

设计思路：

  • 服务器与客户端通过udp协议通信，即server和client都需要创建自己的socket套接字
  • server创建完socket套接字之后，需要将server自身的ip和port和套接字bind绑定，client的套接字不需要显式bind绑定（由OS自动绑定）
  • server先运行，通过recvfrom()向数据的接收缓冲区循环读取数据
  • client在运行的时候指定server的ip和port，通过sendto()向服务器的接收缓冲区发送数据
  • User.h头文件，进行在线用户管理，通过ip和port形成用户信息结构体，可以进行在线用户的添加、删除、判断，并且在server接收到数据的时候，进行广播（对所有在线用户发送刚刚接收到的数据）
  • 所有在线用户信息通过一个静态全局变量的哈希表管理，key值是ip-port组成的字符串
  • client在运行的时候就会进行一次线程分离，分离出去的线程循环读取并打印client自身的接收缓冲区内的数据（来自广播的数据）

设计效果：当多个client连接server之后，只要是online登录了的用户，都可以向server发送数据的同时看到自己和其他登录用户发送的数据，这就是网络聊天群

User.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unordered_map>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

class User
{
public:
    User(const std::string& ip, const uint16_t& port)
        : _ip(ip), _port(port)
    {}

    std::string ip()
    {
        return _ip;
    }

    uint16_t port()
    {
        return _port;
    }

private:
    std::string _ip;
    uint16_t _port;
};

class OnlineUser
{
public:
    OnlineUser()
    {}

    void AddUser(const std::string& ip, const uint16_t& port)
    {
        std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
        _users.insert(std::make_pair(id, User(ip, port)));
    }

    void DelUser(const std::string& ip, const uint16_t& port)
    {
        std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
        _users.erase(id);
    }

    bool IsOnline(const std::string& ip, const uint16_t& port)
    {
        std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);
        return _users.find(id) != _users.end();
    }

    void BroadcastMessage(int sockfd, const std::string& message, const std::string& ip, const uint16_t& port)
    {
        for (auto& user : _users)
        {
            struct sockaddr_in client;
            client.sin_family = AF_INET;
            client.sin_addr.s_addr = inet_addr(user.second.ip().c_str());
            client.sin_port = htons(user.second.port());

            std::string s = "[" + ip + "-" + std::to_string(port) + "]" + "# " + message;
            sendto(sockfd, s.c_str(), s.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
        }
    }

private:
    std::unordered_map<std::string, User> _users;
};

server.cpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <memory>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include "User.h"

using namespace std;

typedef function<void(int, string, uint16_t, string)> func_t;
static string defaultIP = "0.0.0.0";

class UdpServer
{
public:
    UdpServer(const func_t& func, const uint16_t& port, const string& ip = defaultIP)
        : _cb(func), _port(port), _ip(ip)
    {}

    void Init()
    {
        // 1. 创建套接字
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            cerr << "socket error: " << errno << strerror(errno) << endl;
            exit(errno);
        }

        // 2. 绑定 ip:port
        struct sockaddr_in local;
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    // Address to accept any incomit message -------> 任意地址绑定
        // local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());     // string ---> uint32_t ---> htonl
        local.sin_port = htons(_port);
        
        int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            cerr << "bind error: " << errno << strerror(errno) << endl;
            exit(errno);
        }
    }

    void Start()
    {
        char buf[1024];
        while (true)
        {
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t peer_len = sizeof(peer);
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &peer_len);
            if (n > 0)
            {
                buf[n] = 0;
                string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);     // 网络序列 ---> 整型 ---> 点分十进制
                uint16_t client_port = ntohs(peer.sin_port);   
                string message = buf;
                cout << client_ip << "[" << client_port << "]# " << message << endl;

                _cb(_sockfd, client_ip, client_port, message);
            }
        }
    }

private:
    string _ip;
    uint16_t _port;
    int _sockfd;
    func_t _cb;
};

// 聊天群在线用户，静态全局变量
static OnlineUser g_online_users;

// 处理message，server与业务逻辑解耦
void RouteMessage(int sockfd, string client_ip, uint16_t client_port, string message)
{
    if (message == "online")
        g_online_users.AddUser(client_ip, client_port);
    if (message == "offline")
        g_online_users.DelUser(client_ip, client_port);

    if (g_online_users.IsOnline(client_ip, client_port))
    {
        g_online_users.BroadcastMessage(sockfd, message, client_ip, client_port);
    }
    else
    {
        struct sockaddr_in client;
        bzero(&client, sizeof(client));
        client.sin_family = AF_INET;
        client.sin_addr.s_addr = inet_addr(client_ip.c_str());
        client.sin_port = htons(client_port);

        string response = "你还没有登录，请输入online登录加入聊天群";
        sendto(sockfd, response.c_str(), response.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
    }
}

void Usage()
{
    cout << "Usage: \n\t" << "server port" << endl;
    exit(1);
}

int main(int args, char* argv[])
{
    if (args != 2)
        Usage();

    uint16_t port = atoi(argv[1]);

    unique_ptr<UdpServer> udp_server(new UdpServer(RouteMessage, port));

    udp_server->Init();
    udp_server->Start();
    
    return 0;
}

client.cpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <pthread.h>
#include <memory>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include "User.h"

using namespace std;

class UdpClient
{
public:
    UdpClient(const string& server_ip, const uint16_t& server_port)
        : _server_ip(server_ip), _server_port(server_port), _sockfd(-1), _quit(false)
    {}

    void Init()
    {
        // 1. 创建套接字
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        assert(_sockfd != -1);
        cout << "socket seccess: " << _sockfd << endl;

        // 2. 绑定bind，不需要显示绑定，由os分配
    }

    static void* ReadMessage(void* args)
    {
        int sockfd = *(static_cast<int*>(args));
        pthread_detach(pthread_self());     // 线程分离

        while (true)
        {
            char buf[1024];
            struct sockaddr_in tmp;
            socklen_t tmp_len = sizeof(tmp);
            ssize_t n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&tmp, &tmp_len);
            if (n >= 0)
                buf[n] = 0;
            cout << "\r" << buf << "\n";
        }

        return nullptr;
    }

    void Run()
    {
        pthread_create(&_reader, nullptr, ReadMessage, (void*)&_sockfd);

        struct sockaddr_in server;
        memset(&server, 0, sizeof(server));
        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());
        server.sin_port = htons(_server_port);

        string message;
        while (!_quit)
        {
            fprintf(stderr, "Enter:# ");
            fflush(stderr);
            getline(cin, message);
            message[message.size()] = 0;
            
            sendto(_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
            usleep(100);
        }
    }

private:
    string _server_ip;
    uint16_t _server_port;
    int _sockfd;
    bool _quit;

    pthread_t _reader;
};

void Usage()
{
    cout << "Usage: \n\t" << "client ip port" << endl;
}

int main(int args, char* argv[])
{
    if (args != 3)
        Usage();

    string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = atoi(argv[2]);

    unique_ptr<UdpClient> udp_client(new UdpClient(server_ip, server_port));

    udp_client->Init();
    udp_client->Run();

    return 0;
}

运行效果：

 

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