网络编程（UDP编程）

思维导图

UDP基础编程（单播）

1.流程图

服务器：短信的接收方

1. 创建套接字 (socket)-----------------------------------------》有手机
2. 指定网络信息-----------------------------------------------》有号码
3. 绑定套接字 (bind)------------------------------------------》插卡
4. 接收发送消息（recvfrom sendto)---------------------》收短信
5. 关闭套接字（close)------------------------------------------》接收完毕

客户端：短信的发送方

1. 创建套接字 (socket)------------------------------------------》有手机
2. 指定网络（服务器）信息---------------------------------》有对方号码
3. 接收发送消息（recvfrom sendto)----------------------》发短信
4. 关闭套接字（close)----------------------------------------》发送完毕

2.函数接口

2.1.recvfrom

recvfrom的最后连两个参数与accept最后两个参数起到了相同的作用，就可以获取到发消息的是谁或者说是接收到的是谁的消息

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

头文件：#include <sys/types.h>
              #include <sys/socket.h>

功能：接收数据

参数：sockfd：套接字描述符

           buf:接收缓存区的首地址

           len：接收缓存区的大小

           flags：0

           src_addr:发送端的网络信息结构体的指针

           addrlen：发送端的网络信息结构体的大小的指针

返回值：成功：接收的字节个数

              失败：-1

              客户端退出：0

2.2.sendto

sendto的最后连两个参数与connect最后两个参数传参一样，要确定将消息发送给谁，或者说是接收者信息（一般是服务器）。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

头文件：#include <sys/types.h>
              #include <sys/socket.h>

功能：发送数据

参数：sockfd：套接字描述符

           buf:发送缓存区的首地址

           len：发送缓存区的大小

           flags：0

           src_addr:接收端的网络信息结构体的指针

           addrlen：接收端的网络信息结构体的大小

返回值： 成功：发送的字节个数

               失败：-1

3.代码实现：

服务器：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, const char *argv[])
{int rd = 0;char buf[32] = "";int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);		//创建套接字if(sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}struct sockaddr_in server_addr,clientaddr;		//服务器配置server_addr.sin_family = AF_INET;				//地址族选择ipv4server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));	//通过终端命令行参数获取端口号（终端输入的都是字符类型，要把其转换为int类型）server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;                   //C语言内自带的宏定义，代表0.0.0.0地址int len = sizeof(clientaddr);//绑定套接字if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) < 0){perror("bind err");close(sockfd);return -1;}//循环实现：当客户端退出连接，会继续等待连接新的客户端来连接服务器通信while(1){rd = recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&len);if(rd < 0){perror("recvfrom err");continue;}elseprintf("ip:%s port:%d buf:%s\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port),buf);memset(buf,0,sizeof(buf));}close(sockfd);				//关闭socket文件描述符号return 0;
}

 客户端：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, const char *argv[])
{char buf[32] = "";int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);		//创建套接字if(sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}struct sockaddr_in server_addr;					//服务器配置server_addr.sin_family = AF_INET;				//地址族选择ipv4server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));					//配置连接目标的服务器的端口号server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);				//通过终端命令行参数获取ip地址作为服务器地址//循环输入数据while(1){fgets(buf,sizeof(buf),stdin);				//从终端输入流获取字符串更安全，超出字符串长度不会段错误if(buf[strlen(buf)-1] = '\n')				//去除字符串尾部添加的\nbuf[strlen(buf)-1] = '\0';if( strcmp(buf,"quit") == 0 )				//当输入quit，退出客户端break;sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));memset(buf,0,sizeof(buf));}close(sockfd);return 0;
}

4.TCP与UDP区别：

特性	TCP (传输控制协议)	UDP (用户数据报协议)
连接性	面向连接 (需先建立连接)	无连接 (直接发送)
可靠性	高可靠 (确认、重传、排序)	不可靠 (不保证送达、顺序、不重传)
数据传输	字节流 (无明确边界，保证顺序) 使用流式套接字（SOCK_STREAM）	数据报文 (有明确边界，可能乱序、丢失) 使用数据报套接字（SOCK_DGRAM）
速度	相对较慢 (建立连接、确认等开销)	非常快 (几乎无额外开销)
开销	较大 (头部20-60字节，维护连接状态)	极小 (固定8字节头部)
拥塞控制	有 (复杂算法动态调整发送速率)	无 (应用需自行处理)
流量控制	有 (接收方窗口控制发送方速率)	无
应用场景	要求可靠、完整传输：Web(HTTP)、邮件(SMTP/POP/IMAP)、文件传输(FTP)、远程登录(SSH)	要求实时性、速度：音视频流、在线游戏、DNS查询、广播、实时监控

 广播

1.基础复习

广播地址：

1.受限广播地址:255.255.255.255。数据包会被发送到发送主机所在的整个本地网络段的所有主机。路由器通常不会转发这种广播包（限制在本地网段）。

2.定向广播地址: 形如网络前缀.255(对于传统的/24 子网)或网络前缀.全1主机部分 (对于其他子网掩码)。例如，在192.168.1.0/24网段中，定向广播地址是192.168.1.255。这种广播理论上可以被路由器转发到目标网络，但出于安全考虑，现代路由器默认通常也会阻止转发此类广播。（主机号最大的地址是该网段的广播地址 如：192.168.50.222的广播地址是192.168.50.255）

2.函数接口：

int setsockopt(int sockfd,int level,int optname,void *optval,socklen_t optlen)

头文件：#include <sys/types.h>
               #include <sys/socket.h>

功能：获得/设置套接字属性

参数：sockfd：套接字描述符

           level：协议层

           optname：选项名

           optval:选项值

           optlen:选项值大小

返回值: 成功 0 失败-1

3.分析：

发送广播：将socket转换后，改变要发送的目标ip地址为当前网络的广播就可以

接收广播： 接收方不需要特殊设置（不像多播需要加入组），只需绑定到 INADDR_ANY (0.0.0.0) 和发送方使用的端口号，并在该端口上监听 UDP 数据报即可接收到广播消息。

接收者（服务器）

        1.创建套接字（socket）

        2.指定网络信息

        3.绑定套接字（bind）

        4.接收消息（recvfrom）

        5.关闭套接字（close）

发送者

        1.创建套接字（socket）

        2.由于原本的套接字不支持广播，所以要给套接字设置广播属性

                    int optval = 1;
                    setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&optval,sizeof(optval));   

        3.指定网络（服务器）信息

        4.发送消息（sendto）

        5.关闭套接字（close）

4.代码：

客户端（服务器端不用改）：

​
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, const char *argv[])
{char buf[32] = "";int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);		//创建套接字if(sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}int optval = 1;setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&optval,sizeof(optval));    //改变套接字为广播struct sockaddr_in server_addr;					//服务器配置server_addr.sin_family = AF_INET;				//地址族选择ipv4server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));					//配置连接目标的服务器的端口号server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);				//通过终端命令行参数获取ip地址作为服务器地址（广播地址）//循环输入数据while(1){fgets(buf,sizeof(buf),stdin);				//从终端输入流获取字符串更安全，超出字符串长度不会段错误if(buf[strlen(buf)-1] = '\n')				//去除字符串尾部添加的\nbuf[strlen(buf)-1] = '\0';if( strcmp(buf,"quit") == 0 )				//当输入quit，退出客户端break;sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));memset(buf,0,sizeof(buf));}close(sockfd);return 0;
}

5.缺点：

广播方式会把信息发给连接当前网络的所有的主机，过多的广播会大量的占用网络带宽，造成广播风暴，影响正常的通信

广播风暴： 网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的点对点通信无法正常进行，其外在表现为网络速度奇慢无比，甚至导致网络瘫痪

组播（多播）

1.什么是组播

1.多播是一个人发送，加入到多播组的人接收数据。

2.多播方式既可以发给多个主机，又能避免像广播那样带来过多的负载(每台主机要到传输层才能判断广播包是否要处理)

2.多播地址

D类：224.0.0.1-239.255.255.254

3.流程

接收者（服务器）

        1.创建套接字（socket）

        2.设置多播属性，将自己的IP加入到多播组中

                struct ip_mreq mreq;

                mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[2]); // 组播IP

                mreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY; // 自己IP

                setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq,sizeof(mreq));

        3.指定网络信息

        4.绑定套接字（bind）

        5.接收消息（recvfrom）

        6.关闭套接字（close）

发送者

        1.创建套接字（socket） 

        2.指定网络（服务器）信息

        3.发送消息（sendto）

        4.关闭套接字（close）

4.代码实现：

服务器端：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, const char *argv[])
{int rd = 0;char buf[32] = "";int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);		//创建套接字if(sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}struct ip_mreq mreq;mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[2]);         // 组播IPmreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;                 // 自己IPsetsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));struct sockaddr_in server_addr,clientaddr;		        //服务器配置server_addr.sin_family = AF_INET;				        //地址族选择ipv4server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));	        //通过终端命令行参数获取端口号（终端输入的都是字符类型，要把其转换为int类型）server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;                   //C语言内自带的宏定义，代表0.0.0.0地址int len = sizeof(clientaddr);//绑定套接字if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) < 0){perror("bind err");close(sockfd);return -1;}//循环实现：当客户端退出连接，会继续等待连接新的客户端来连接服务器通信while(1){rd = recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&len);if(rd < 0){perror("recvfrom err");continue;}elseprintf("ip:%s port:%d buf:%s\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port),buf);memset(buf,0,sizeof(buf));}close(sockfd);				//关闭socket文件描述符号return 0;
}

实现效果：

UDP广播三种实现形式比较

特性	单播 (Unicast)	组播 (Multicast)	广播 (Broadcast)
通信模式	一对一 (1:1)	一对多 (1:N)	一对所有 (1:All)
目标地址	单个 特定主机地址 (192.168.1.100)	组播组地址 (Class D, 224.0.0.1~239.255.255.254)	广播地址 (255.255.255.255 或 192.168.1.255)
接收者	唯一 指定的目标主机	加入该组播组 的所有主机	同一网络段 的所有主机
效率	低效 (N份数据，N次传输)	高效 (1份数据，网络复制)	低效 (1份数据，所有主机处理)
网络范围	可跨越 任意网络 (路由可达即可)	可跨越 多个网络 (需路由器支持 IGMP/PIM)	通常限制在 单个本地网络段 (LAN)
协议支持	TCP & UDP (主要方式)	UDP (主要方式，TCP 不原生支持)	UDP (TCP 不支持)
资源消耗	发送端数量与网络带宽消耗：随接收者数量线性增长	发送端与骨干网络带宽消耗：恒定 (与接收者数无关)	发送端带宽消耗：一次，但所有主机都会接收处理
应用场景	Web浏览 (HTTP)、文件传输 (FTP/SCP)、邮件、SSH、数据库访问	视频会议、IPTV直播、股票行情、软件分发、网络发现	DHCP、ARP、局域网简单服务发现、旧式网络游戏
路由器处理	正常路由 (基于目标IP路由表)	特殊路由 (需支持 IGMP/PIM，复制数据到下游有接收者的网段)	通常不转发 (限制在本地网段)
实现关键	目标主机IP地址	setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP) 加入组播组	setsockopt(SO_BROADCAST) 启用广播权限
优点	可靠(TCP)、点对点控制、简单	高效节省带宽、支持大规模接收者、跨网段	实现简单、本地网段全覆盖
缺点	接收者多时效率低、消耗大量发送端和网络资源	实现较复杂、需网络设备支持、可靠性需应用层保障	浪费资源(非目标主机也处理)、安全隐患、无法跨路由