网络编程UDP—socket实现（C++）

前言

• UDP通信需要哪些必要信息

  • IP地址
    • 用于定位通讯双方
  • 端口号
    • 用于标识通信的具体应用或服务。
    • 传输层通信都需要端口号的。

• 网络要求

  • 双方必须是可以进行ip通信的
    • UDP依赖IP协议栈（IPv4或IPv6）完成路由、传输
  • 双方需要用同一协议

UDP客户端和服务端

• 客户端

• 构造数据报：包含目标IP、目标端口、数据内容。

• 发送数据报：使用套接字 sendto() 函数将数据发送到目标地址。

• 等待响应（如果有）：接收服务端返回的数据。

• 服务端

• 创建监听套接字：绑定到指定IP和端口。

• 等待数据：通过 recvfrom() 函数接收数据。

• 处理请求：解析数据内容并执行相应操作。

• 返回响应：将结果数据发送回客户端。

UDP使用场景

UDP适用于以下需要高效传输但容忍数据丢失的场景：

• 实时通信：
  • 视频通话、语音通话（如VoIP）。
• 在线游戏：
  • 游戏中快速同步状态。
• 流媒体传输：
  • 实时视频、音频传输。
• 广播/组播：
  • 数据包同时发送给多个主机（如局域网中发现服务）。
• 轻量级请求/响应：
  • DNS查询、简单的远程控制。

UDP socket C++代码示例

服务端接收数据示例（bind+recvfrom 阻塞式接收信息）：

• 使用场景
  • 简单服务端，适用于单个套接字的接收

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstring>int main() {int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字if (sock_fd < 0) {perror("Socket creation failed");return -1;}struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8080); // 监听端口server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网络接口if (bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("Bind failed");close(sock_fd);return -1;}char buffer[1024];struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);// 会阻塞等待 直到 接收信息int bytes_received = recvfrom(sock_fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len); // 接收数据if (bytes_received > 0) {buffer[bytes_received] = '\0';std::cout << "Received message: " << buffer << std::endl;}close(sock_fd);return 0;
}

bind 绑定-监听 函数

• 功能：

  • bind 函数用于将套接字绑定到特定的IP地址和端口号，通常用于服务端监听套接字。
    • 服务器先运行监听特定的IP地址和端口号；然后客户端再

• 函数声明：

  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

参数说明：

1. sockfd：
   • 套接字描述符，由 socket 函数返回。
2. addr：
   • 指向 sockaddr 结构体，表示要绑定的地址和端口。
     • 通常使用 sockaddr_in，需强制转换为 sockaddr。
3. addrlen：
   • addr 的长度（使用 sizeof(sockaddr_in)）。

返回值：
成功：返回 0。
失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);        // 绑定端口号
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用IP地址if (bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("Bind failed");close(sock_fd);
}

为什么一般都是监听所有网络接口呢？

server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用IP地址

这行代码中的 INADDR_ANY 是一个常用的常量，它代表了一个特殊的 IP 地址，即 0.0.0.0。当你将它设置为服务器套接字的地址时，表示该服务器将 监听所有网络接口。

• 理解什么是网络接口？

  • 网络接口指计算机或设备上 每一个可以用于发送或接收数据的网络连接通道。
    • 可以先理解为网卡，但是网络接口还包括一些虚拟网卡、本地回环接口（127.0.0.1）、甚至 VPN接口等，总的就是软硬 网络通道。

• 服务器为什么一般监听所有网络接口？

  • 因为理论上我们希望只要是服务器这个端口号接收的，不管是哪一个网络接口，都交给服务器应用程序处理；
  • 除非我们就只想让服务器处理从某个网络接口 接收的数据，才设置某一个网络接口的ip地址。例如：
    • 只想让服务器接受本地（同一台机器上的应用程序）发出的数据

      server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
      

为什么需要用inet_addr进行转换？

因为实际是采用网络字节序进行传输的，而用字符串形式十进制格式（如 “192.168.1.1”）只是为了人类方便阅读，所以需要转为网络字节序。

• inet_addr作用

  • 用于将一个点分十进制表示的 IPv4 地址（例如 “192.168.1.1”）转换为网络字节序的二进制格式。

• inet_addr 将一个 IPv4 地址的点分十进制字符串（如 “192.168.1.1”）转换为网络字节序的 32 位整数。例如：

  • “192.168.1.1” 在十进制中是：192 * 256^3 + 168 * 256^2 + 1 * 256^1 + 1 * 256^0
  • 对应的二进制表示是：11000000 10101000 00000001 00000001

• 值得注意的是，inet_addr 已经不推荐使用，特别是在现代网络编程中，因为它对无效地址的处理可能不够清晰（比如返回 -1 会被误认为是有效的地址）。推荐使用 inet_pton 函数来替代，它更加健壮和安全。inet_pton 允许支持不同的地址族（IPv4 和 IPv6），并且不会出现类似 inet_addr 那样的错误返回值。

socket函数

• 作用

  • 用于创建套接字socket，套接字是网络通信的基础，用于在客户端和服务端之间建立通信。
  • 确定协议族（IPv4还是）、TCP还是UDP

• 函数声明

  int socket(int domain, int type, int protocol);
  

参数说明：

1. domain：指定通信的协议族（地址类型）。

• AF_INET：IPv4。
• AF_INET6：IPv6。
• AF_UNIX：本地通信（不使用网络）。

2. type：指定套接字的类型。

• SOCK_STREAM：TCP（面向连接，保证数据可靠性）。
• SOCK_DGRAM：UDP（无连接，适合快速传输）。

3. protocol：通常指定为 0，表示使用默认协议。

• 如果 type 是 SOCK_DGRAM，默认使用 UDP 协议。
• 如果 type 是 SOCK_STREAM，默认使用 TCP 协议。

返回值：
成功：返回套接字描述符（非负整数）。
失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sock_fd < 0) {perror("Socket creation failed");
}

sockaddr_in结构体

• 功能

  • 用于表示 IPv4 地址和端口信息，通常在网络通信中用于绑定或指定目标地址。

• 定义：

struct sockaddr_in {short sin_family;        // 地址族（必须为 AF_INET）unsigned short sin_port; // 端口号（网络字节序，需要使用 htons() 转换）struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址char sin_zero[8];        // 填充字节，保持与 struct sockaddr 的大小一致（不使用，置 0）
};

字段说明：

1. sin_family：
   • 必须设置为 AF_INET（IPv4协议）。
2. sin_port：
   • 16位端口号，必须用 htons() 将主机字节序转换为网络字节序。
3. sin_addr：
   • 一个 struct in_addr 结构体，表示IPv4地址。
     • 可以用 inet_addr() 或 inet_aton() 转换字符串形式的IP地址。
     • 也可以设置为 INADDR_ANY，表示绑定到本地所有可用IP。
4. sin_zero：
   • 填充字段，不使用，应设置为 0。

示例：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;                // IPv4
server_addr.sin_port = htons(8080);              // 端口号（转换为网络字节序）
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址
memset(server_addr.sin_zero, 0, sizeof(server_addr.sin_zero)); // 填充为0

recvfrom 函数

• 作用：一个用于从套接字接收数据的函数。
• 函数声明：

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

1. sockfd：要读取数据的套接字文件描述符。
2. buf：指向接收数据的缓冲区。
3. len：缓冲区的大小。如果接收的数据超过该大小，数据会被截断。
4. flags：设置标志，通常为 0。
   控制接收行为的标志。常用的标志包括：
   • MSG_PEEK：查看数据但不从队列中移除数据。
   • MSG_WAITALL：接收指定大小的完整数据，直到所有数据都接收到才返回。
   • MSG_DONTWAIT：非阻塞操作，如果没有数据可接收则立即返回。
   • MSG_TRUNC：如果接收的消息太大，超过缓冲区的大小，将丢弃多余部分并返回 EMSGSIZE 错误。
5. src_addr：接收数据源的地址，通常可以为 NULL，如果不需要知道源地址。
   • 创建一个指针，用来接收数据源的地址
6. addrlen：地址长度，如果 src_addr 不是NULL，它将被修改为实际的地址长度。

函数返回值:

• 成功时：返回接收到的字节数。如果没有数据到达，且没有设置非阻塞标志，则会阻塞直到有数据可读；如果设置了 MSG_DONTWAIT 或套接字为非阻塞模式，它将立即返回 0 表示没有数据。
• 失败时：返回 -1，并设置 errno 以指示错误。常见错误包括：
  • EAGAIN 或 EWOULDBLOCK：非阻塞模式下没有数据可接收。
  • EBADF：sockfd 不是有效的套接字。
  • ECONNREFUSED：目标主机拒绝连接（仅在某些类型的套接字中出现）。
  • EINVAL：无效的地址长度或参数。

客户端发送数据示例：

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstring>int main() {int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字if (sock_fd < 0) {perror("Socket creation failed");return -1;}struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8080); // 目标端口号server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址const char* message = "Hello, UDP!";sendto(sock_fd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发送数据close(sock_fd);return 0;
}

sendto 发送 函数

• 功能：

  • 用于通过UDP套接字发送数据报到指定地址和端口

• 函数声明

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：

1. sockfd：
   • 套接字描述符，由 socket 函数返回。
2. buf：
   • 指向要发送的数据的缓冲区。
3. len：
   • 要发送的数据长度（字节数）。
4. flags：
   • 传输标志，通常设置为 0。
5. dest_addr：
   • 指向一个 sockaddr 结构体，表示目标地址。
     • 通常传入 sockaddr_in，需要通过强制类型转换为 sockaddr。
6. addrlen：
   • dest_addr 的长度（使用 sizeof(sockaddr_in)）。
     返回值：
     成功：返回实际发送的字节数。
     失败：返回 -1，并设置 errno。

示例：

const char *message = "Hello, UDP!";
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");sendto(sock_fd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));