day-04 基于UDP的服务器端/客户端

一.理解UDP

（一）UDP套接字的特点

UDP套接字具有以下特点：

• 无连接性：UDP是一种无连接的协议，这意味着在发送数据之前，不需要在发送方和接收方之间建立连接。每个UDP数据包都是独立的，它们可以独立地发送和接收，而不需要维护连接状态。

• 不可靠性：UDP是一种不可靠的协议，这意味着它不提供数据传输的可靠性保证。UDP数据包在发送过程中可能会丢失、重复、乱序或损坏，而UDP协议本身不提供任何机制来检测和纠正这些问题。因此，应用程序需要自行处理这些问题。

• 高效性：由于UDP不需要建立连接和维护连接状态，它的开销比TCP更小，传输效率更高。UDP适用于那些对实时性要求较高，但对数据可靠性要求相对较低的应用场景，如音频和视频流传输。

• 面向数据报：UDP是一种面向数据报的协议，每个UDP数据包都是一个独立的数据报，具有固定的大小。UDP数据包的大小限制为64KB，超过这个大小的数据需要进行分片和重新组装。

• 支持多播和广播：UDP支持多播和广播功能，可以将数据同时发送给多个接收方。多播是一种一对多的通信方式，广播是一种一对所有的通信方式。

        总的来说，UDP套接字具有无连接性、不可靠性、高效性、面向数据报和支持多播和广播等特点。它适用于那些对实时性要求较高，但对数据可靠性要求相对较低的应用场景。

（二）UDP内部工作原理

UDP的内部工作原理如下：

• 创建套接字：在UDP通信之前，需要创建UDP套接字。套接字是一个网络通信的端点，用于发送和接收数据。通过调用操作系统提供的套接字API，可以创建一个UDP套接字。

• 绑定端口：在创建UDP套接字后，需要将套接字绑定到一个特定的端口上。这样，其他应用程序就可以通过指定该端口来与UDP套接字进行通信。

• 发送数据：要发送数据，应用程序将数据写入UDP套接字的发送缓冲区。操作系统将从发送缓冲区中获取数据，并将其封装成UDP数据包。然后，操作系统将UDP数据包发送到目标IP地址和端口。

• 接收数据：要接收数据，应用程序需要监听UDP套接字。当有UDP数据包到达时，操作系统将从网络中接收数据包，并将其放入UDP套接字的接收缓冲区。应用程序可以从接收缓冲区中读取数据。

• 处理数据：应用程序可以从接收缓冲区中读取数据，并对数据进行处理。由于UDP是无连接的协议，每个UDP数据包都是独立的，应用程序需要自行处理数据包的顺序、丢失、重复和损坏等问题。

• 关闭套接字：当UDP通信结束时，应用程序可以关闭UDP套接字，释放相关资源。

        总的来说，UDP的内部工作原理涉及创建套接字、绑定端口、发送数据、接收数据和处理数据等步骤。UDP是一种简单的协议，不提供连接状态维护和可靠性保证，但具有较低的开销和较高的传输效率。

（三）UDP的高效使用

要高效使用UDP，可以考虑以下几点：

• 数据包大小：UDP数据包的大小限制为64KB，超过这个大小的数据需要进行分片和重新组装。为了提高传输效率，可以尽量减小数据包的大小，避免数据分片和重新组装的开销。

• 数据压缩：对于需要传输的数据，可以考虑使用数据压缩算法进行压缩，减小数据包的大小。常见的数据压缩算法包括gzip、zlib等。

• 并发处理：UDP是无连接的协议，每个UDP数据包都是独立的。为了提高处理效率，可以使用多线程或多进程的方式，并发处理接收到的UDP数据包。

• 丢包处理：由于UDP是不可靠的协议，数据包在传输过程中可能会丢失。为了提高可靠性，可以在应用层实现丢包检测和重传机制。例如，可以使用序列号和确认应答的方式来检测丢包，并进行重传。

• 超时设置：为了避免数据包长时间滞留在网络中，可以设置合适的超时时间。如果在超时时间内没有收到对应的确认应答，可以进行重传。

• 流量控制：为了避免发送方发送过多的数据导致接收方无法及时处理，可以实现流量控制机制。例如，可以使用滑动窗口的方式控制发送方的发送速率。

• 多播和广播：UDP支持多播和广播功能，可以将数据同时发送给多个接收方。通过合理使用多播和广播，可以提高数据传输的效率。

        总的来说，要高效使用UDP，可以考虑数据包大小、数据压缩、并发处理、丢包处理、超时设置、流量控制和多播/广播等方面的优化策略。根据具体的应用场景和需求，可以选择适合的优化方法。

二.实现基于UDP的服务器端/客户端

1.UDP中的服务器端和客户端没有连接

2.UDP服务器端和客户端均只需一个套接字

3.基于UDP的数据I/O函数

基于UDP的数据I/O函数通常使用以下两个函数：

1.sendto()：该函数用于向指定的目标地址发送UDP数据包。它的函数原型如下：

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

        参数说明：

• sockfd：UDP套接字的文件描述符。
• buf：要发送的数据的指针。
• len：要发送的数据的字节数。
• flags：发送标志，通常设置为0。
• dest_addr：目标地址的结构体指针，包括IP地址和端口号。
• addrlen：目标地址结构体的长度。

        该函数将指定的数据发送到目标地址。如果发送成功，返回发送的字节数；如果发送失败，返回-1，并设置相应的错误码。

2.recvfrom()：该函数用于从指定的源地址接收UDP数据包。它的函数原型如下：

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

        参数说明：

• sockfd：UDP套接字的文件描述符。
• buf：接收数据的缓冲区指针。
• len：接收数据的最大字节数。
• flags：接收标志，通常设置为0。
• src_addr：源地址的结构体指针，用于存储发送方的IP地址和端口号。
• addrlen：源地址结构体的长度。

        该函数从指定的UDP套接字接收数据，并将数据存储到指定的缓冲区中。如果接收成功，返回接收的字节数；如果接收失败，返回-1，并设置相应的错误码。

4.基于UDP的回声服务器端/客户端

uecho_server.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {// 创建UDP套接字int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);// 绑定服务器地址和端口struct sockaddr_in server_address{};server_address.sin_family = AF_INET;server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_address.sin_port = htons(8888);bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));std::cout << "服务器已启动，等待客户端连接..." << std::endl;while (true) {// 接收数据char buffer[BUFFER_SIZE];struct sockaddr_in client_address{};socklen_t client_address_length = sizeof(client_address);ssize_t received_bytes = recvfrom(server_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&client_address, &client_address_length);buffer[received_bytes] = '\0';std::cout << "接收到来自客户端 " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << " 的数据：" << buffer << std::endl;// 发送数据回客户端sendto(server_socket, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&client_address, client_address_length);}return 0;
}

uecho_client.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {// 创建UDP套接字int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);// 服务器地址和端口struct sockaddr_in server_address{};server_address.sin_family = AF_INET;server_address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");server_address.sin_port = htons(8888);while (true) {// 输入要发送的数据char message[BUFFER_SIZE];std::cout << "请输入要发送的数据：";std::cin.getline(message, BUFFER_SIZE);// 发送数据到服务器sendto(client_socket, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));// 接收服务器返回的数据char buffer[BUFFER_SIZE];socklen_t server_address_length = sizeof(server_address);ssize_t received_bytes = recvfrom(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&server_address, &server_address_length);buffer[received_bytes] = '\0';std::cout << "接收到服务器返回的数据：" << buffer << std::endl;}return 0;
}

5.UDP的数据传输特性和调用connect函数

        UDP存在数据边界，所以调用几次 sendto 函数去发送，就调用几次 recvfrom 函数去接收。

（1）已连接（connected）UDP套接字和未连接（unconnected）UDP套接字

        sendto 函数的传输阶段

•         向UDP套接字注册目标IP和端口号
•         传输数据
•         删除UDP套接字中注册的目标地址信息

        UDP套接字默认属于未连接套接字。但在对同一主机进行通信时，过多的增删套接字中目标地址信息，很明显显得多余。所以将UDP套接字变成已连接套接字会提高效率。