Linux UDP 编程详解

一、引言

在网络编程领域，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）作为一种轻量级的传输层协议，具有独特的优势和适用场景。与 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）相比，UDP 不提供可靠的连接保证、数据顺序传递以及流量控制等功能，但它具有更低的开销和更高的传输效率，适用于对实时性要求较高、能容忍少量数据丢失的应用场景，如视频流传输、音频广播、在线游戏等。在 Linux 系统中，提供了丰富的函数库和工具来支持 UDP 编程，使得开发者能够轻松构建基于 UDP 的网络应用。本文将深入探讨 Linux 环境下的 UDP 编程，从基本概念、原理到详细的代码示例，帮助读者全面掌握 UDP 编程技术。

二、UDP 协议基础

2.1 UDP 协议特点

  1. 无连接性：UDP 在发送数据之前不需要像 TCP 那样建立连接，发送方可以直接将数据报发送给目标地址，接收方随时准备接收数据。这种特性使得 UDP 的传输过程更加简单、快捷，减少了建立连接所需的时间和资源开销。
  2. 不可靠性：UDP 不保证数据报一定能够正确、完整地到达接收方，也不保证数据报的顺序。在网络传输过程中，数据报可能会因为网络拥塞、链路故障等原因丢失或乱序。应用程序需要根据自身的需求来处理这些可能出现的问题，例如通过校验和、重传机制等方式来确保数据的完整性和正确性。
  3. 面向数据报：UDP 以数据报为单位进行数据传输，每个数据报都是独立的，包含了目标地址、源地址和数据等信息。发送方每次调用发送函数（如sendto）发送的数据都会被封装成一个独立的数据报，接收方通过接收函数（如recvfrom）接收一个个独立的数据报。
  4. 头部开销小：UDP 的头部固定为 8 字节，相比 TCP 的 20 字节（不包含选项）头部开销更小，这使得 UDP 在传输大量小数据时具有更高的效率。UDP 头部包含源端口号、目的端口号、长度和校验和字段。

2.2 UDP 应用场景

  1. 实时多媒体传输：如视频会议、在线直播、网络电话等应用对实时性要求极高，少量的数据丢失可能只会导致短暂的画面卡顿或声音不清晰，但不会对整体的用户体验造成严重影响。使用 UDP 可以避免 TCP 的重传机制带来的延迟，保证媒体流的流畅传输。
  2. 网络监控与管理：在网络监控系统中，需要实时收集网络设备的状态信息、流量数据等。由于监控数据通常量较大且对实时性要求较高，使用 UDP 可以快速地将数据发送到监控中心，即使部分数据丢失也不会影响对网络整体状态的判断。
  3. 在线游戏：游戏中的实时状态更新、玩家操作指令等数据需要及时传输给服务器和其他玩家。UDP 的低延迟特性使得游戏能够更及时地响应用户操作，提供流畅的游戏体验。例如，在多人在线射击游戏中，玩家的移动、射击等操作需要快速传输到服务器，UDP 能够满足这种实时性需求。

三、Linux UDP 编程基础函数

3.1 socket 函数

socket函数用于创建一个套接字描述符，它是进行网络通信的基础。其函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
  • domain参数指定协议族，对于 IPv4 网络，通常使用AF_INET；对于 IPv6 网络，使用AF_INET6。
  • type参数指定套接字类型，UDP 编程使用SOCK_DGRAM，表示数据报套接字。
  • protocol参数通常设置为 0，让系统根据domain和type选择默认的协议。对于 UDP，默认协议为 UDP 协议。

函数成功时返回一个非负整数的套接字描述符，失败时返回 -1，并设置errno错误码以指示错误原因。例如

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

3.2 bind 函数

bind函数用于将套接字绑定到一个特定的地址和端口上。其函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • sockfd是通过socket函数创建的套接字描述符。
  • addr是一个指向struct sockaddr结构体的指针，该结构体包含了要绑定的地址信息。在 IPv4 中，通常使用struct sockaddr_in结构体来填充地址信息，然后将其强制转换为struct sockaddr类型。
  • addrlen参数指定addr结构体的长度。

对于 IPv4，struct sockaddr_in结构体的定义如下：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family; /* 地址族，AF_INET */
    in_port_t sin_port;     /* 端口号 */
    struct in_addr sin_addr; /* 32位IPv4地址 */
    char sin_zero[8];       /* 填充字节，使其与struct sockaddr大小相同 */
};
struct in_addr {
    in_addr_t s_addr; /* 32位IPv4地址 */
};

在使用bind函数时，需要正确填充struct sockaddr_in结构体的各个字段。例如：

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8080); // 绑定到8080端口，htons用于将主机字节序转换为网络字节序
servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用的网络接口

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
    perror("bind failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

3.3 sendto 函数

sendto函数用于向指定的目标地址发送数据报。其函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  • sockfd是要发送数据的套接字描述符。
  • buf是指向要发送数据缓冲区的指针。
  • len是要发送数据的长度，以字节为单位。
  • flags参数通常设置为 0，用于指定一些额外的发送选项，如 MSG_DONTROUTE 表示不查找路由表。
  • dest_addr是一个指向目标地址结构体的指针，指定数据报的接收方地址。
  • addrlen参数指定目标地址结构体的长度。

函数成功时返回实际发送的字节数，失败时返回 -1，并设置errno错误码。例如：

char buffer[] = "Hello, UDP!";
struct sockaddr_in cliaddr;
memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));
cliaddr.sin_family = AF_INET;
cliaddr.sin_port = htons(9090);
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &cliaddr.sin_addr); // 设置目标IP地址

ssize_t n = sendto(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0,
                   (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
if (n == -1) {
    perror("sendto failed");
}

3.4 recvfrom 函数

recvfrom函数用于从套接字接收数据报，并获取发送方的地址信息。其函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  • sockfd是接收数据的套接字描述符。
  • buf是用于存储接收到数据的缓冲区。
  • len是缓冲区的长度，以字节为单位。
  • flags参数通常设置为 0，用于指定一些额外的接收选项，如 MSG_PEEK 表示只是查看数据而不真正从接收队列中移除。
  • src_addr是一个指向结构体的指针，用于存储发送方的地址信息。
  • addrlen是一个指向size_t类型变量的指针，用于指定src_addr结构体的长度，函数返回时会更新该变量为实际接收到的地址长度。

函数成功时返回实际接收到的字节数，失败时返回 -1，并设置errno错误码。例如：

char buffer[1024];
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
ssize_t n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0,
                     (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
if (n == -1) {
    perror("recvfrom failed");
} else {
    buffer[n] = '\0';
    printf("Received: %s\n", buffer);
}

四、Linux UDP 编程示例

4.1 UDP 服务器示例

下面是一个简单的 UDP 服务器示例代码，该服务器绑定到指定的端口，接收客户端发送的数据，并将接收到的数据回显给客户端。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

void usage(const char *prog_name) {
    printf("Usage: %s <listen_ip> <listen_port>\n", prog_name);
    printf("Example: %s 127.0.0.1 8080\n", prog_name);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t n;

    // 检查命令行参数数量是否正确
    if (argc!= 3) {
        usage(argv[0]);
    }

    // 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构体
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid IP address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定套接字到服务器地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("UDP server is listening on %s:%d...\n", argv[1], atoi(argv[2]));

    while (1) {
        // 接收客户端数据
        len = sizeof(cliaddr);
        n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                    (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
        if (n == -1) {
            perror("recvfrom failed");
            continue;
        }
        buffer[n] = '\0';
        printf("Received from client (%s:%d): %s\n",
               inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port), buffer);

        // 将接收到的数据回显给客户端
        n = sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0,
                  (struct sockaddr *)&cliaddr, len);
        if (n == -1) {
            perror("sendto failed");
        }
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

在这个示例中，服务器首先创建一个 UDP 套接字，然后将其绑定到指定的端口。通过一个无限循环，服务器不断调用recvfrom函数接收客户端发送的数据，并在接收到数据后调用sendto函数将数据回显给客户端。

4.2 UDP 客户端示例

以下是与上述服务器对应的 UDP 客户端示例代码，客户端向服务器发送数据，并接收服务器回显的数据。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

void usage(const char *prog_name) {
    printf("Usage: %s <server_ip> <port> <message>\n", prog_name);
    printf("Example: %s 127.0.0.1 8080 \"Hello, server!\"\n", prog_name);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t n;
    socklen_t len;

    // 检查命令行参数数量是否正确
    if (argc!= 4) {
        usage(argv[0]);
    }

    // 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构体
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid IP address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 向服务器发送数据
    n = sendto(sockfd, argv[3], strlen(argv[3]), 0,
              (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    if (n == -1) {
        perror("sendto failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Sent %ld bytes to server: %s\n", n, argv[3]);

    // 接收服务器回显的数据
    len = sizeof(servaddr);
    n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                (struct sockaddr *)&servaddr, &len);
    if (n == -1) {
        perror("recvfrom failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    buffer[n] = '\0';
    printf("Received from server: %s\n", buffer);

    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端同样先创建一个 UDP 套接字，然后初始化服务器的地址信息。通过sendto函数向服务器发送数据，接着使用recvfrom函数接收服务器回显的数据。

代码解释

  • 服务器端代码：
    • socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建一个 UDP 套接字。AF_INET 表示使用 IPv4 地址族，SOCK_DGRAM 表示使用数据报套接字类型，0 表示使用默认协议（对于 AF_INET 和 SOCK_DGRAM 组合，即为 UDP 协议）。
    • memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr))：将 servaddr 结构体的内存清零，确保其成员变量初始化为零。
    • servaddr.sin_family = AF_INET：设置地址族为 IPv4。
    • servaddr.sin_port = htons(PORT)：将端口号转换为网络字节序并存储在 sin_port 中。
    • servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY：将套接字绑定到所有可用的网络接口。
    • bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr))：将套接字绑定到本地地址和端口，使得服务器可以接收发送到该端口的数据。
    • recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len)：从客户端接收数据，存储在 buffer 中，并将发送方的地址存储在 cliaddr 中。
    • sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, len)：将接收到的数据发送回客户端。
  • 客户端代码解释：
    • socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建一个 UDP 套接字，与服务器端相同。
    • memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr))：将 servaddr 结构体的内存清零。
    • servaddr.sin_family = AF_INET：设置地址族为 IPv4。
    • servaddr.sin_port = htons(PORT)：将端口号转换为网络字节序。
    • inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &servaddr.sin_addr)：将服务器的 IP 地址字符串转换为二进制格式存储在 sin_addr 中。
    • sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr))：向服务器发送数据。
    • recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0, (struct sockaddr *)&servaddr, &len)：接收服务器回显的数据。

五、编译指令和测试过程

5.1 编译

gcc udp_server.c -o udp_server
gcc udp_client.c -o udp_client

5.2 测试过程

启动服务端 监听端口

./udp_server 127.0.0.1 8080

客户端发送数据

./udp_client 127.0.0.1 8080 helloworld123

在这里插入图片描述

六、UDP 编程中的常见问题与解决方案

6.1 数据丢失问题

由于 UDP 的不可靠性，数据在传输过程中可能会丢失。为了解决这个问题，可以在应用层实现数据校验和重传机制。例如，发送方在每个数据报中添加一个校验和字段，接收方在接收到数据报后计算校验和并与发送方发送的校验和进行比较，如果不一致则请求发送方重传该数据报。另外，可以设置一个重传定时器，当发送方在一定时间内未收到接收方的确认消息时，自动重传数据报。

6.2 数据报大小限制

UDP 数据报的大小受到网络 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）的限制。在 IPv4 网络中，MTU 通常为 1500 字节（不包括链路层头部），UDP 数据报的总长度（包括头部）不能超过 MTU。如果需要发送的数据超过 MTU 大小，需要将数据进行拆分，分成多个较小的数据报进行发送。接收方在接收到多个数据报后，需要按照正确的顺序进行重组。

6.3 网络拥塞问题

虽然 UDP 没有像 TCP 那样的拥塞控制机制，但在网络拥塞严重的情况下，大量的数据报可能会被丢弃。为了减轻网络拥塞对 UDP 应用的影响，可以在应用层实现一些简单的拥塞控制策略，如根据网络状况动态调整发送数据的速率。例如，当发现丢包率增加时，适当降低发送速率；当网络状况良好时，逐渐提高发送速率。

6.4 可能遇到的问题及解决方法

  • 权限问题：如果在运行时遇到权限问题，可能是因为使用了低端口号（小于 1024），可以使用 sudo 命令来运行可执行文件，或者将端口号修改为大于 1024 的端口。
  • 地址冲突：如果服务器绑定的端口已被其他程序占用，会导致绑定失败，可以修改服务器的端口号。

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