Linux下的socket編程實踐（十）基本UDP編程細節

在我的這兩篇博客中，簡單介紹並實現了基於UDP(TCP)的windows（UNIX下流程基本一致）下的服務端和客戶端的程序，本文繼續探討關於UDP編程的一些細節。
下圖是一個簡單的UDP客戶/服務器模型：

我在這裡也實現了一個簡單的UDP回射服務器/客戶端：

/**實踐: 實現一個基於UDP的echo回聲server/client**/  
//server端代碼  
void echoServer(int sockfd);  
int main()  
{  
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  
    if (sockfd == -1)  
        err_exit("socket error");  
  
    struct sockaddr_in servAddr;  
    servAddr.sin_family = AF_INET;  
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
    servAddr.sin_port = htons(8001);  
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)  
        err_exit("bind error");  
  
    echoServer(sockfd);  
}  
void echoServer(int sockfd)  
{  
    char buf[BUFSIZ];  
    ssize_t recvBytes = 0;  
    struct sockaddr_in clientAddr;  
    socklen_t addrLen;  
    while (true)  
    {  
        memset(buf, 0, sizeof(buf));  
        addrLen = sizeof(clientAddr);  
        memset(&clientAddr, 0, addrLen);  
        recvBytes = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0,  
                             (struct sockaddr *)&clientAddr, &addrLen);  
        //如果recvBytes=0, 並不代表對端連接關閉, 因為UDP是無連接的  
        if (recvBytes < 0)  
        {  
            if (errno == EINTR)  
                continue;  
            else  
                err_exit("recvfrom error");  
        }  
  
        cout << buf ;  
        if (sendto(sockfd, buf, recvBytes, 0,  
                   (const struct sockaddr *)&clientAddr, addrLen) == -1)  
            err_exit("sendto error");  
    }  
}  

/**client端代碼**/  
void echoClient(int sockfd);  
int main()  
{  
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  
    if (sockfd == -1)  
        err_exit("socket error");  
    echoClient(sockfd);  
    cout << "Client exiting..." << endl;  
}  
void echoClient(int sockfd)  
{  
    struct sockaddr_in servAddr;  
    servAddr.sin_family = AF_INET;  
    servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
    servAddr.sin_port = htons(8001);  
    char buf[BUFSIZ] = {0};  
    while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL)  
    {  
        if (sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0,  
                   (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)  
            err_exit("sendto error");  
        memset(buf, 0, sizeof(buf));  
        int recvBytes = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);  
        if (recvBytes == -1)  
        {  
            if (errno == EINTR)  
                continue;  
            else  
                err_exit("recvfrom error");  
        }  
        cout << buf ;  
        memset(buf, 0, sizeof(buf));  
    }  
}  

UDP協議並不是像TCP一樣是一對一的通信，UDP可以實現廣播通信，並且由於是無連接的，只要知道對等方地址(ip和port) 都可以主動發數據。關閉server，再連接上，還可以進行通信。


UDP編程的注意事項和細節：
1.UDP不存在粘包問題，因為不是基於流的傳輸（基於消息）。
2.UDP報文可能會丟失、重復、亂序問題。處理丟失可以采用超時處理機制，計時器超時重傳；處理重復、亂序可以靠維護數據報之間的序號解決。
3.UDP缺乏流量控制:當緩沖區寫滿以後,由於UDP沒有流量控制機制,因此會覆蓋緩沖區。可以通過模擬TCP的滑動窗口協議解決。
4.數據報截斷：如果對端發送的UDP數據報大於本地接收緩沖區,報文可能被截斷,後面的部分會丟失(而不是像我們想象的下一次能夠接收到)；並且如果我們使用sendto發送"ABCD"4個字節，接受的recv函數采用循環的方式每次接收一個字符，然而結果卻是我們只能接受到A。剩下的不會存在於緩沖區，這也可以形成判斷依據： 會丟失報式套接口（UDP）不是流式套接口（TCP）。
5.recvfrom返回0：不代表連接關閉，因為UDP是無連接的。
6.ICMP異步錯誤（重點）
服務器或者客戶端只有一方打開的時候，會發生這個錯誤，並且這是TCP/IP協議棧產生的一個ICMP應答錯誤，recv的時候才能收到。因為根本得不到通知，所以稱作異步，不會返回給未連接的套接字。
解決方法：UDP調用connect
當增加上connect後，send之後，如果對方處於未開啟的話，那麼recv會接受到ICMP錯誤。UDP的connect沒有三次握手，僅僅是維護了一個信息，一個狀態，並且為這個套接字不能發送給其他地址。connect後不指定sendto的目的地址也可以，因為連接的時候已經指定了，並且還可以用send，write的方法。
進一步說明：


1)UDP發送報文的時，只把數據copy到發送緩沖區。在服務器沒有起來的情況下，可以發送成功。
2)所謂ICMP異步錯誤是指：發送的報文的時候，沒有錯誤，接受報文recvfrom的時候，回收到ICMP應答.
3)異步的錯誤，無法返回未連接的套接字, 因此如果上例我們調用了connect, 是可以收到該異步ICMP報文的;


對1）的進一步分析：
如果服務器沒啟動，客戶端sendto發送一個數據，結果會是什麼呢？
結論是，sendto成功返回，如果客戶端還同時調用了recvfrom，則將永遠堵塞在recvfrom函數(當然可以設超時)，同時通過tcpdump還可以看到，服務端返回ICMP port unreachable錯誤消息，但是這個消息並沒有通過sendto和recvfrom函數返回給用戶進程，換句話說，用戶並不知道服務端返回了ICMP錯誤。怎麼辦呢，udp的connet函數可以搞定這些。
對於udp socket調用connect，稱之為已連接UDP socket，其與未連接UDP socket區別如下：
不使用sendto，而使用write或send，因為在connect中，已經指定目的端IP地址；不應用recvfrom，而使用read或recv或recvmsg，注意，如果源地址不是connect連接的目的地址，是不會回饋到該套接字的，這正好由內核幫我們完成了驗證接收到的響應；由已連接的UDP套接字引發的異步錯誤，會返回給他們所在的進程，這樣就很好的解決了上述問題；在調用connect，確定目的IP和port之外，同時還會通過目的地址，查找路由表，確定本地地址，connect之後調用getsockname可以獲取到。

總結：UDP客戶或服務進程，僅在使用自己的UDP套接字與確定的唯一對端進行通信時，才會調用connect，當然，一般UDP客戶端會用connect多一點。同時如果采用connect，其性能也會得到提升，因為對於sendto來講，其發送數據前和後，需要連接套接字、斷開套接字，如果connect之後，這兩步就省下了。

7.UDP外出接口的確定:

假設客戶端有多個IP地址，由connect /sendto 函數提供的遠程地址的參數，系統會選擇一個合適的出口，比如Server的IP是192.168.2.10, 而客戶端現在的IP有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那麼會自動選擇192.168.2.75 這個IP出去。（具體算法先略過...）

最後附上數據報截斷的一個示例：

int main()  
{  
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  
    if (sockfd == -1)  
        err_exit("socket error");  
  
    struct sockaddr_in servAddr;  
    servAddr.sin_family = AF_INET;  
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
    servAddr.sin_port = htons(8001);  
    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)  
        err_exit("bind error");  
    //給自己發送數據  
    if (sendto(sockfd, "ABCDE", 5, 0,  
               (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)  
        err_exit("sendto error");  
  
    for (int i = 0; i < 5; ++i)  
    {  
        char ch;  
        int recvBytes =  recvfrom(sockfd, &ch, 1, MSG_DONTWAIT, NULL, NULL);  
        if (recvBytes == -1)  
        {  
            if (errno == EINTR)  
                continue;  
            else if (errno == EAGAIN)  
                err_exit("recvfrom error");  
        }  
        else  
            cout << "char = " << ch << ", recvBytes = " << recvBytes << endl;  
    }  
}