14-3_Qt 5.9 C++开发指南_QUdpSocket实现 UDP 通信_UDP 单播和广播

1.UDP通信概述

UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)是轻量的、不可靠的、面向数据报 (datagram)、无连接的协议，它可以用于对可靠性要求不高的场合。与 TCP 通信不同，两个程序之间进行 UDP 通信无需预先建立持久的 socket 连接，UDP 每次发送数据报都需要指定目标地址和端口(如图14-6 所示)。

QUdpSocket 类用于实现 UDP 通信，它从 QAbstractSocket 类继承，因而与 QTcpSocket 共享大部分的接口函数。主要区别是 QUdpSocket 以数据报传输数据，而不是以连续的数据流。发送数据报使用函数QUdpSocket::writeDatagram()，数据报的长度一般少于512 字节，每个数据报包含发送者和接收者的 IP 地址和端口等信息。
要进行 UDP 数据接收，要用 QUdpSocket::bind()函数先绑定一个端口，用于接收传入的数据报。当有数据报传入时会发射readyRead()信号，使用readDatagram()函数来读取接收到的数据报。

UDP 消息传送有单播、广播、组播三种模式，其示意图如图 14-7 所示

• 单播 (unicast)模式：一个 UDP 客户端发出的数据报只发送到另一个指定地址和端口的UDP 客户端，是一对一的数据传输。

• 广播(broadcast)模式：一个 UDP 客户端发出的数据报，在同一网络范围内其他所有的UDP 客户端都可以收到。QUdpSocket 支持IPv4 广播。广播经常用于实现网络发现的协议。要获取广播数据只需在数据报中指定接收端地址为 QHostAddress::Broadcast，一般的广播地址是 255.255.255.255

• 组播 (multicast)模式：也称为多播。UDP 客户端加入到另一个组播IP 地址指定的多播组，成员向组播地址发送的数据报组内成员都可以接收到，类似于 QQ 群的功能。QUdpSocket::joinMulticastGroup()函数实现加入多播组的功能，加入多播组后，UDP 数据的收发和UDP数据收发方法一样。

使用广播和多播模式，UDP 可以实现一些比较灵活的通信功能，而 TCP 通信只有单播模式没有广播和多播模式。所以，UDP 通信虽然不能保证数据传输的准确性，但是具有灵活性，一般的即时通信软件都是基于UDP 通信的。

QUdpSocket 类从QAbstractSocket 继承而来，但是又定义了较多新的功能函数用于实现 UDP特有的一些功能，如数据报读写和多播通信功能。QUdpSocket 没有定义新的信号。QUdpSocket的主要功能函数见表 14-6 (包括从 QAbstractSocket 继承的函数，省略了函数中的 const 关键字，省略了缺省参数)

在单播、广播和多播模式下，UDP 程序都是对等的，不像 TCP 通信那样分为客户端和服务器端。多播和广播的实现方式基本相同，只是数据报的目标IP 地址设置不同，多播模式需要加入多播组，实现方式有较大差异。
为分别演示这三种 UDP 通信模式，本节设计了两个实例。Samp14_3 实例演示 UDP 单播和广播通信，Samp14_4实例演示UDP组播通信。

2. UDP 单播和广播

2.1 UDP 通信实例程序功能

实例程序 samp14_3 实现 UDP 单播和广播，其主窗口是继承自 QMainWindow 的类，界面用UI 设计器设计。程序可以进行 UDP 数据报的发送和接收，samp14_3 的两个运行实例之间可以进行 UDP 通信，这两个实例可以运行在同一台计算机上，也可以运行在不同的计算机上。图 14-8和图14-9是samp14_3两个实例在一台计算机上运行时通信的界面。
在同一台计算机上运行时，两个运行实例需要绑定不同的端口，例如实例A 定端口 1200,实例B绑定端口 3355。实例A 向实例 B 发送数据报时，需要指定实例 B 所在主机的IP 地址、绑定端口作为目标地址和目标端口(为了准确识别相应的客户端，与上篇中元组的概念很相似)，这样实例 B 才能接收到数据报。
如果两个实例在不同计算机上运行，则可以使用相同的端口，因为 IP 地址不同了，不会导致绑定时发生冲突。一般的UDP 通信程序都是在不同的计算机上运行的，约定一个固定的端口作为通信端口。

2.2 主窗口类定义和构造函数

主窗口是基于QMainWindow 的类 MainWindow，界面采用 UI 设计器设计。MainWindow类的定义如下(省略了 UI 设计器为 actions 和按钮生成的槽函数声明):

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H#include <QMainWindow>#include    <QUdpSocket>
#include    <QLabel>namespace Ui {
class MainWindow;
}class MainWindow : public QMainWindow
{Q_OBJECTprivate:QLabel  *LabSocketState;//socket状态显示标签QUdpSocket  *udpSocket;//QString getLocalIP();//获取本机IP地址public:explicit MainWindow(QWidget *parent = 0);~MainWindow();private slots:
//自定义槽函数void    onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState);void    onSocketReadyRead();//读取socket传入的数据
...private:Ui::MainWindow *ui;
};#endif // MAINWINDOW_H

QUdpSocket 类型的私有变量 udpSocket 是用于UDP 通信的 socket。

定义了两个自定义槽函数，onSocketStateChange()与 udpSocket 的 stateChange()信号关联，用于显示 udpSocket 当前的状态；onSocketReadyRead()信号与 udpSocket 的readyRead()信号关联，用于读取缓冲区的数据报。
MainWindow 的构造函数主要完成udpSocket 的创建、信号与槽函数的关联，代码如下：

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :QMainWindow(parent),ui(new Ui::MainWindow)
{ui->setupUi(this);LabSocketState=new QLabel(QString::fromLocal8Bit("Socket状态："));//LabSocketState->setMinimumWidth(200);ui->statusBar->addWidget(LabSocketState);QString localIP=getLocalIP();//本机IPthis->setWindowTitle(this->windowTitle()+QString::fromLocal8Bit("----本机IP：")+localIP);ui->comboTargetIP->addItem(localIP);udpSocket=new QUdpSocket(this);//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocketconnect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));onSocketStateChange(udpSocket->state());connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}

onSocketStateChange(udpSocket->state());代码与上篇TCP通信程序里的完全一样。

2.3 UDP通信的实现

要实现UDP 数据的接收，必须先用QUdpSocket::bind()函数绑定一个端口，用于监听传入的数据报，解除绑定则使用 abort()函数。程序主窗口上的“绑定端口”和“解除绑定”按钮的响应代码如下:

void MainWindow::on_actStart_triggered()
{//绑定端口quint16     port=ui->spinBindPort->value(); //本机UDP端口if (udpSocket->bind(port))//绑定端口成功{ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**已成功绑定"));ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**绑定端口：")+QString::number(udpSocket->localPort()));ui->actStart->setEnabled(false);ui->actStop->setEnabled(true);}elseui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**绑定失败"));
}void MainWindow::on_actStop_triggered()
{//解除绑定udpSocket->abort(); //不能解除绑定ui->actStart->setEnabled(true);ui->actStop->setEnabled(false);ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**已解除绑定"));
}

绑定端口后，socket 的状态变为已绑定状态“BoundState”，解除绑定后状态变为未连接状态UnconnectedState”
发送点对点消息和广播消息都使用 QUdpSocket:: writeDatagram()函数，窗口上“发送消息和“广播消息”两个按钮的代码如下:

void MainWindow::on_btnSend_clicked()
{//发送消息 按钮QString     targetIP=ui->comboTargetIP->currentText(); //目标IPQHostAddress    targetAddr(targetIP);quint16     targetPort=ui->spinTargetPort->value();//目标portQString  msg=ui->editMsg->text();//发送的消息内容QByteArray  str=msg.toUtf8();udpSocket->writeDatagram(str,targetAddr,targetPort); //发出数据报ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("[out] ")+msg);ui->editMsg->clear();ui->editMsg->setFocus();
}void MainWindow::on_btnBroadcast_clicked()
{ //广播消息 按钮quint16     targetPort=ui->spinTargetPort->value(); //目标端口QString  msg=ui->editMsg->text();QByteArray  str=msg.toUtf8();udpSocket->writeDatagram(str,QHostAddress::Broadcast,targetPort);ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("[broadcast] ")+msg);ui->editMsg->clear();ui->editMsg->setFocus();
}

使用writeDatagram()函数向一个目标用户发送消息时，需要指定目标地址和端口。

在广播消息时，只需将目标地址更换为一个特殊地址，即广播地址 OHostAddress::Broadcast,一般是255.255.255.255。通信演示如下图所示：

QUdpSocket 发送的数据报是 QByteArray 类型的字节数组，数据报的长度一般不超过 512 字节。数据报的内容可以是文本字符串，也可以自定义格式的二进制数据，文本字符串无需以换行符结束。

QUdpSocket 接收到数据报后发射 readyRead()信号，在关联的槽函数 onSocketReadyRead()里读取缓冲区的数据报，代码如下:

void MainWindow::onSocketReadyRead()
{//读取收到的数据报while(udpSocket->hasPendingDatagrams()){QByteArray   datagram;datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());QHostAddress    peerAddr;quint16 peerPort;udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);QString str=datagram.data();QString peer="[From "+peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] ";ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);}
}

hasPendingDatagrams()表示是否有待读取的传入数据报。

pendingDatagramSize()返回待读取数据报的字节数。

readDatagram()函数用于读取数据报的内容，其函数原型为:

qint64 QUdpSocket::readDatagram(char *data, qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)

输入参数data和 maxSize 是必须的，表示最多读取 maxSize 字节的数据到变量 data 里。address和 port 变量是可选的，用于获取数据报来源的地址和端口。上面的代码中使用了完整的参数形式，从而可以获得数据报来源的地址 peerAddr 和端口 peerPort。如果无需获取来源地址和端口，可以采用简略形式，即:

udpSocket->readDatagram(datagram,data(),datagram,size());

读取的数据报内容是 QByteArray 字节数组，因为本程序只是传输字符串，所以简单地将其转换为字符串即可。如果传输的是自定义格式的字符串或二进制数据，需要对接收到的数据进行解析。

2.4 源码

2.4.1 可视化UI设计

2.4.2 mainwindow.h

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H#include <QMainWindow>#include    <QUdpSocket>
#include    <QLabel>namespace Ui {
class MainWindow;
}class MainWindow : public QMainWindow
{Q_OBJECTprivate:QLabel  *LabSocketState;//socket状态显示标签QUdpSocket  *udpSocket;//QString getLocalIP();//获取本机IP地址public:explicit MainWindow(QWidget *parent = 0);~MainWindow();private slots:
//自定义槽函数void    onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState);void    onSocketReadyRead();//读取socket传入的数据
//void on_actStart_triggered();void on_actStop_triggered();void on_actClear_triggered();void on_btnSend_clicked();void on_actHostInfo_triggered();void on_btnBroadcast_clicked();private:Ui::MainWindow *ui;
};#endif // MAINWINDOW_H

2.4.3 mainwindow.cpp

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"
#include    <QtNetwork>QString MainWindow::getLocalIP()
{QString hostName=QHostInfo::localHostName();//本地主机名QHostInfo   hostInfo=QHostInfo::fromName(hostName);QString   localIP="";QList<QHostAddress> addList=hostInfo.addresses();//if (!addList.isEmpty())for (int i=0;i<addList.count();i++){QHostAddress aHost=addList.at(i);if (QAbstractSocket::IPv4Protocol==aHost.protocol()){localIP=aHost.toString();break;}}return localIP;
}MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :QMainWindow(parent),ui(new Ui::MainWindow)
{ui->setupUi(this);LabSocketState=new QLabel(QString::fromLocal8Bit("Socket状态："));//LabSocketState->setMinimumWidth(200);ui->statusBar->addWidget(LabSocketState);QString localIP=getLocalIP();//本机IPthis->setWindowTitle(this->windowTitle()+QString::fromLocal8Bit("----本机IP：")+localIP);ui->comboTargetIP->addItem(localIP);udpSocket=new QUdpSocket(this);//用于与连接的客户端通讯的QTcpSocketconnect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));onSocketStateChange(udpSocket->state());connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}MainWindow::~MainWindow()
{udpSocket->abort();delete udpSocket;delete ui;
}void MainWindow::onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState socketState)
{switch(socketState){case QAbstractSocket::UnconnectedState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：UnconnectedState"));break;case QAbstractSocket::HostLookupState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：HostLookupState"));break;case QAbstractSocket::ConnectingState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：ConnectingState"));break;case QAbstractSocket::ConnectedState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：ConnectedState"));break;case QAbstractSocket::BoundState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：BoundState"));break;case QAbstractSocket::ClosingState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：ClosingState"));break;case QAbstractSocket::ListeningState:LabSocketState->setText(QString::fromLocal8Bit("scoket状态：ListeningState"));}
}void MainWindow::onSocketReadyRead()
{//读取收到的数据报while(udpSocket->hasPendingDatagrams()){QByteArray   datagram;datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());QHostAddress    peerAddr;quint16 peerPort;udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);QString str=datagram.data();QString peer="[From "+peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] ";ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);}
}void MainWindow::on_actStart_triggered()
{//绑定端口quint16     port=ui->spinBindPort->value(); //本机UDP端口if (udpSocket->bind(port))//绑定端口成功{ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**已成功绑定"));ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**绑定端口：")+QString::number(udpSocket->localPort()));ui->actStart->setEnabled(false);ui->actStop->setEnabled(true);}elseui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**绑定失败"));
}void MainWindow::on_actStop_triggered()
{//解除绑定udpSocket->abort(); //不能解除绑定ui->actStart->setEnabled(true);ui->actStop->setEnabled(false);ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("**已解除绑定"));
}void MainWindow::on_actClear_triggered()
{ui->plainTextEdit->clear();
}void MainWindow::on_btnSend_clicked()
{//发送消息 按钮QString     targetIP=ui->comboTargetIP->currentText(); //目标IPQHostAddress    targetAddr(targetIP);quint16     targetPort=ui->spinTargetPort->value();//目标portQString  msg=ui->editMsg->text();//发送的消息内容QByteArray  str=msg.toUtf8();udpSocket->writeDatagram(str,targetAddr,targetPort); //发出数据报ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("[out] ")+msg);ui->editMsg->clear();ui->editMsg->setFocus();
}void MainWindow::on_actHostInfo_triggered()
{//本机地址 按钮QString hostName=QHostInfo::localHostName();//本地主机名ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("本机主机名：")+hostName+"\n");QHostInfo   hostInfo=QHostInfo::fromName(hostName);QList<QHostAddress> addList=hostInfo.addresses();//if (!addList.isEmpty())for (int i=0;i<addList.count();i++){QHostAddress aHost=addList.at(i);if (QAbstractSocket::IPv4Protocol==aHost.protocol()){QString IP=aHost.toString();ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("本机IP地址：")+aHost.toString());if (ui->comboTargetIP->findText(IP)<0)ui->comboTargetIP->addItem(IP);}}}void MainWindow::on_btnBroadcast_clicked()
{ //广播消息 按钮quint16     targetPort=ui->spinTargetPort->value(); //目标端口QString  msg=ui->editMsg->text();QByteArray  str=msg.toUtf8();udpSocket->writeDatagram(str,QHostAddress::Broadcast,targetPort);ui->plainTextEdit->appendPlainText(QString::fromLocal8Bit("[broadcast] ")+msg);ui->editMsg->clear();ui->editMsg->setFocus();
}