這篇文章將對linux下udp socket編程重要知識點進行總結，無論是開發人員應知應會的，還是說udp socket的一些偏僻知識點，本文都會講到。盡可能做到，讀了一篇文章之後，大家對udp socket有一個比較全面的認識。本文分為兩個專題，第一個是常用的upd socket框架，第二個是一些udp socket並不常用但又相當重要的知識點。
一、基本的udp socket編程
1. UDP編程框架
要使用UDP協議進行程序開發，我們必須首先得理解什麼是什麼是UDP？這裡簡單概括一下。
UDP（user datagram protocol）的中文叫用戶數據報協議，屬於傳輸層。UDP是面向非連接的協議，它不與對方建立連接，而是直接把我要發的數據報發給對方。所以UDP適用於一次傳輸數據量很少、對可靠性要求不高的或對實時性要求高的應用場景。正因為UDP無需建立類如三次握手的連接，而使得通信效率很高。
UDP的應用非常廣泛，比如一些知名的應用層協議（SNMP、DNS）都是基於UDP的，想一想，如果SNMP使用的是TCP的話，每次查詢請求都得進行三次握手，這個花費的時間估計是使用者不能忍受的，因為這會產生明顯的卡頓。所以UDP就是SNMP的一個很好的選擇了，要是查詢過程發生丟包錯包也沒關系的，我們再發起一個查詢就好了，因為丟包的情況不多，這樣總比每次查詢都卡頓一下更容易讓人接受吧。
UDP通信的流程比較簡單，因此要搭建這麼一個常用的UDP通信框架也是比較簡單的。以下是UDP的框架圖。
由以上框圖可以看出，客戶端要發起一次請求，僅僅需要兩個步驟（socket和sendto），而服務器端也僅僅需要三個步驟即可接收到來自客戶端的消息（socket、bind、recvfrom）。
2. UDP程序設計常用函數
#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> int socket(int domain, int type, int protocol);參數domain:用於設置網絡通信的域，socket根據這個參數選擇信息協議的族 Name Purpose AF_UNIX, AF_LOCAL Local communication AF_INET IPv4 Internet protocols //用於IPV4 AF_INET6 IPv6 Internet protocols //用於IPV6 AF_IPX IPX - Novell protocols AF_NETLINK Kernel user interface device AF_X25 ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol AF_AX25 Amateur radio AX.25 protocol AF_ATMPVC Access to raw ATM PVCs AF_APPLETALK AppleTalk AF_PACKET Low level packet interface AF_ALG Interface to kernel crypto API 對於該參數我們僅需熟記AF_INET和AF_INET6即可 小插曲：PF_XXX和AF_XXX 我們在看Linux網絡編程相關代碼時會發現PF_XXX和AF_XXX會混著用，他們倆有什麼區別呢？以下內容摘自《UNP》。 AF_前綴表示地址族（Address Family），而PF_前綴表示協議族（Protocol Family）。歷史上曾有這樣的想法：單個協議族可以支持多個地址族，PF_的值可以用來創建套接字，而AF_值用於套接字的地址結構。但實際上，支持多個地址族的協議族從來就沒實現過，而頭文件<sys/socket.h>中為一給定的協議定義的PF_值總是與此協議的AF_值相同。 所以我在實際編程時還是偏向於使用AF_XXX。 參數type（只列出最重要的三個）: SOCK_STREAM Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. //用於TCP SOCK_DGRAM Supports datagrams (connectionless, unreliable messages ). //用於UDP SOCK_RAW Provides raw network protocol access. //RAW類型，用於提供原始網絡訪問 參數protocol：置0即可 返回值：成功：非負的文件描述符 失敗：-1
#include <sys/types.h>
#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);
第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得
第二個參數buf：發送緩沖區，往往是使用者定義的數組，該數組裝有要發送的數據
第三個參數len:發送緩沖區的大小，單位是字節
第四個參數flags:填0即可
第五個參數dest_addr:指向接收數據的主機地址信息的結構體，也就是該參數指定數據要發送到哪個主機哪個進程
第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度
返回值：成功：返回發送成功的數據長度
失敗： -1#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得
第二個參數buf：接收緩沖區，往往是使用者定義的數組，該數組裝有接收到的數據
第三個參數len:接收緩沖區的大小，單位是字節
第四個參數flags:填0即可
第五個參數src_addr:指向發送數據的主機地址信息的結構體，也就是我們可以從該參數獲取到數據是誰發出的
第六個參數addrlen:表示第五個參數所指向內容的長度
返回值：成功：返回接收成功的數據長度
失敗： -1
#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen);第一個參數sockfd:正在監聽端口的套接口文件描述符，通過socket獲得 第二個參數my_addr:需要綁定的IP和端口 第三個參數addrlen：my_addr的結構體的大小 返回值：成功：0 失敗：-1
#include <unistd.h> int close(int fd);close函數比較簡單，只要填入socket產生的fd即可。
3. 搭建UDP通信框架
server：
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/socket.h>
4 #include <netinet/in.h>
5 #include <string.h>
6
7 #define SERVER_PORT 8888
8 #define BUFF_LEN 1024
9
10 void handle_udp_msg(int fd)
11 {
12 char buf[BUFF_LEN]; //接收緩沖區，1024字節
13 socklen_t len;
14 int count;
15 struct sockaddr_in clent_addr; //clent_addr用於記錄發送方的地址信息
16 while(1)
17 {
18 memset(buf, 0, BUFF_LEN);
19 len = sizeof(clent_addr);
20 count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len); //recvfrom是擁塞函數，沒有數據就一直擁塞
21 if(count == -1)
22 {
23 printf("recieve data fail!\n");
24 return;
25 }
26 printf("client:%s\n",buf); //打印client發過來的信息
27 memset(buf, 0, BUFF_LEN);
28 sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count); //回復client
29 printf("server:%s\n",buf); //打印自己發送的信息給
30 sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len); //發送信息給client，注意使用了clent_addr結構體指針
31
32 }
33 }
34
35
36 /*
37 server:
38 socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
39 */
40
41 int main(int argc, char* argv[])
42 {
43 int server_fd, ret;
44 struct sockaddr_in ser_addr;
45
46 server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
47 if(server_fd < 0)
48 {
49 printf("create socket fail!\n");
50 return -1;
51 }
52
53 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
54 ser_addr.sin_family = AF_INET;
55 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要進行網絡序轉換，INADDR_ANY：本地地址
56 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //端口號，需要網絡序轉換
57
58 ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
59 if(ret < 0)
60 {
61 printf("socket bind fail!\n");
62 return -1;
63 }
64
65 handle_udp_msg(server_fd); //處理接收到的數據
66
67 close(server_fd);
68 return 0;
69 }
client：
1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/types.h>
3 #include <sys/socket.h>
4 #include <netinet/in.h>
5 #include <string.h>
6
7 #define SERVER_PORT 8888
8 #define BUFF_LEN 512
9 #define SERVER_IP "172.0.5.182"
10
11
12 void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
13 {
14
15 socklen_t len;
16 struct sockaddr_in src;
17 while(1)
18 {
19 char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
20 len = sizeof(*dst);
21 printf("client:%s\n",buf); //打印自己發送的信息
22 sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
23 memset(buf, 0, BUFF_LEN);
24 recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len); //接收來自server的信息
25 printf("server:%s\n",buf);
26 sleep(1); //一秒發送一次消息
27 }
28 }
29
30 /*
31 client:
32 socket-->sendto-->revcfrom-->close
33 */
34
35 int main(int argc, char* argv[])
36 {
37 int client_fd;
38 struct sockaddr_in ser_addr;
39
40 client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
41 if(client_fd < 0)
42 {
43 printf("create socket fail!\n");
44 return -1;
45 }
46
47 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
48 ser_addr.sin_family = AF_INET;
49 //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
50 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //注意網絡序轉換
51 ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //注意網絡序轉換
52
53 udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);
54
55 close(client_fd);
56
57 return 0;
58 }
以上的框架用於一台主機不同端口的UDP通信，現象如下：
我們先建立server端，等待服務；然後我們建立client端請求服務。
server端：
client端：
自己主機跟自己通信不是很爽，我們想跟其他主機通信怎麼搞？很簡單，上面client的代碼的第49行的注釋打開，並注釋掉下面那行，在宏定義裡填入自己想通信的serverip就可以了。現象如下：
server端：
client端：
這樣我們就實現了主機172.0.5.183和172.0.5.182之間的網絡通信。
UDP通用框架搭建完成，我們可以利用該框架跟指定主機進行通信了。
如果想學習UDP的基礎知識，以上的知識就足夠了；如果想繼續深入學習一下UDP SOCKET一些高級知識（奇技淫巧），可以花點時間往下看。
二、高級udp socket編程
1. udp的connect函數
什麼？UDP也有conenct？connect不是用於TCP編程的嗎？
是的，UDP網絡編程中的確有connect函數，但它僅僅用於表示確定了另一方的地址，並沒有其他含義。
有了以上認識後，我們可以知道UDP套接字有以下區分：
1）未連接的UDP套接字
2）已連接的UDP套接字
對於未連接的套接字，也就是我們常用的的UDP套接字，我們使用的是sendto/recvfrom進行信息的收發，目標主機的IP和端口是在調用sendto/recvfrom時確定的；
在一個未連接的UDP套接字上給兩個數據報調用sendto函數內核將執行以下六個步驟：
1）連接套接字
2）輸出第一個數據報
3）斷開套接字連接
4）連接套接字
5）輸出第二個數據報
6）斷開套接字連接
對於已連接的UDP套接字，必須先經過connect來向目標服務器進行指定，然後調用read/write進行信息的收發，目標主機的IP和端口是在connect時確定的，也就是說，一旦conenct成功，我們就只能對該主機進行收發信息了。
已連接的UDP套接字給兩個數據報調用write函數內核將執行以下三個步驟：
1）連接套接字
2）輸出第一個數據報
3）輸出第二個數據報
由此可以知道，當應用進程知道給同一個目的地址的端口號發送多個數據報時，顯示套接字效率更高。
下面給出帶connect函數的UDP通信框架
具體框架代碼不再給出了，因為跟上面不帶connect的代碼大同小異，僅僅多出一個connect函數處理而已，下面給出處理conenct()的基本步驟。
void udp_handler(int s, struct sockaddr* to)
{
char buf[1024] = "TEST UDP !";
int n = 0;
connect(s, to, sizeof(*to);
n = write(s, buf, 1024);
read(s, buf, n);
}
2. udp報文丟失問題
因為UDP自身的特點，決定了UDP會相對於TCP存在一些難以解決的問題。第一個就是UDP報文缺失問題。
在UDP服務器客戶端的例子中，如果客戶端發送的數據丟失，服務器會一直等待，直到客戶端的合法數據過來。如果服務器的響應在中間被路由丟棄，則客戶端會一直阻塞，直到服務器數據過來。
防止這樣的永久阻塞的一般方法是給客戶的recvfrom調用設置一個超時，大概有這麼兩種方法：
1）使用信號SIGALRM為recvfrom設置超時。首先我們為SIGALARM建立一個信號處理函數，並在每次調用前通過alarm設置一個5秒的超時。如果recvfrom被我們的信號處理函數中斷了，那就超時重發信息；若正常讀到數據了，就關閉報警時鐘並繼續進行下去。
2）使用select為recvfrom設置超時
設置select函數的第五個參數即可。
3. udp報文亂序問題
所謂亂序就是發送數據的順序和接收數據的順序不一致，例如發送數據的順序為A、B、C，但是接收到的數據順序卻為：A、C、B。產生這個問題的原因在於，每個數據報走的路由並不一樣，有的路由順暢，有的卻擁塞，這導致每個數據報到達目的地的順序就不一樣了。UDP協議並不保證數據報的按序接收。
解決這個問題的方法就是發送端在發送數據時加入數據報序號，這樣接收端接收到報文後可以先檢查數據報的序號，並將它們按序排隊，形成有序的數據報。
4. udp流量控制問題
總所周知，TCP有滑動窗口進行流量控制和擁塞控制，反觀UDP因為其特點無法做到。UDP接收數據時直接將數據放進緩沖區內，如果用戶沒有及時將緩沖區的內容復制出來放好的話，後面的到來的數據會接著往緩沖區放，當緩沖區滿時，後來的到的數據就會覆蓋先來的數據而造成數據丟失（因為內核使用的UDP緩沖區是環形緩沖區）。因此，一旦發送方在某個時間點爆發性發送消息，接收方將因為來不及接收而發生信息丟失。
解決方法一般采用增大UDP緩沖區，使得接收方的接收能力大於發送方的發送能力。
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