Linux编程之UDP SOCKET攻略详解
一、基本的udp socket编程
1. udp编程框架
要使用udp协议进行程序开发，我们必须首先得理解什么是什么是udp？这里简单概括一下。
udp（user datagram protocol）的中文叫用户数据报协议，属于传输层。udp是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接把我要发的数据报发给对方。所以udp适用于一次传输数据量很少、对可靠性要求不高的或对实时性要求高的应用场景。正因为udp无需建立类如三次握手的连接，而使得通信效率很高。
udp的应用非常广泛，比如一些知名的应用层协议（snmp、dns）都是基于udp的，想一想，如果snmp使用的是tcp的话，每次查询请求都得进行三次握手，这个花费的时间估计是使用者不能忍受的，因为这会产生明显的卡顿。所以udp就是snmp的一个很好的选择了，要是查询过程发生丢包错包也没关系的，我们再发起一个查询就好了，因为丢包的情况不多，这样总比每次查询都卡顿一下更容易让人接受吧。
udp通信的流程比较简单，因此要搭建这么一个常用的udp通信框架也是比较简单的。以下是udp的框架图。
由以上框图可以看出，客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。
2. udp程序设计常用函数
#include #include int socket(int domain, int type, int protocol);参数domain:用于设置网络通信的域，socket根据这个参数选择信息协议的族name purpose af_unix, af_local local communication af_inet ipv4 internet protocols //用于ipv4af_inet6 ipv6 internet protocols //用于ipv6af_ipx ipx - novell protocolsaf_netlink kernel user interface device af_x25 itu-t x.25 / iso-8208 protocol af_ax25 amateur radio ax.25 protocolaf_atmpvc access to raw atm pvcsaf_appletalk appletalk af_packet low level packet interface af_alg interface to kernel crypto api对于该参数我们仅需熟记af_inet和af_inet6即可 小插曲：pf_xxx和af_xxx
我们在看linux网络编程相关代码时会发现pf_xxx和af_xxx会混着用，他们俩有什么区别呢？以下内容摘自《unp》。
af_前缀表示地址族（address family），而pf_前缀表示协议族（protocol family）。历史上曾有这样的想法：单个协议族可以支持多个地址族，pf_的值可以用来创建套接字，而af_值用于套接字的地址结构。但实际上，支持多个地址族的协议族从来就没实现过，而头文件中为一给定的协议定义的pf_值总是与此协议的af_值相同。
所以我在实际编程时还是偏向于使用af_xxx。
参数type（只列出最重要的三个）:
sock_stream provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. //用于tcp
sock_dgram supports datagrams (connectionless, unreliable messages ). //用于udp
sock_raw provides raw network protocol access. //raw类型，用于提供原始网络访问
参数protocol：置0即可
返回值：成功：非负的文件描述符
失败：-1
#include #include ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：发送缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据
第三个参数len:发送缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数dest_addr:指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪个主机哪个进程
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回发送成功的数据长度
失败： -1
#include #include ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：接收缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有接收到的数据
第三个参数len:接收缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数src_addr:指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以从该参数获取到数据是谁发出的
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回接收成功的数据长度
失败： -1
#include #include int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数my_addr:需要绑定的ip和端口
第三个参数addrlen：my_addr的结构体的大小
返回值：成功：0
失败：-1
#include int close(int fd); close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。
3. 搭建udp通信框架
server：
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 7 #define server_port 8888 8 #define buff_len 1024 9 10 void handle_udp_msg(int fd)11 {12 char buf[buff_len]; //接收缓冲区，1024字节13 socklen_t len;14 int count;15 struct sockaddr_in clent_addr; //clent_addr用于记录发送方的地址信息16 while(1)17 {18 memset(buf, 0, buff_len);19 len = sizeof(clent_addr);20 count = recvfrom(fd, buf, buff_len, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len); //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞21 if(count == -1)22 {23 printf(recieve data fail!\n);24 return;25 }26 printf(client:%s\n,buf); //打印client发过来的信息27 memset(buf, 0, buff_len);28 sprintf(buf, i have recieved %d bytes data!\n, count); //回复client29 printf(server:%s\n,buf); //打印自己发送的信息给30 sendto(fd, buf, buff_len, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len); //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针31 32 }33 }34 35 36 /*37 server:38 socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close39 */40 41 int main(int argc, char* argv[])42 {43 int server_fd, ret;44 struct sockaddr_in ser_addr; 45 46 server_fd = socket(af_inet, sock_dgram, 0); //af_inet:ipv4;sock_dgram:udp47 if(server_fd < 0)48 {49 printf(create socket fail!\n);50 return -1;51 }52 53 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));54 ser_addr.sin_family = af_inet;55 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); //ip地址，需要进行网络序转换，inaddr_any：本地地址56 ser_addr.sin_port = htons(server_port); //端口号，需要网络序转换57 58 ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));59 if(ret sendto-->revcfrom-->close33 */34 35 int main(int argc, char* argv[])36 {37 int client_fd;38 struct sockaddr_in ser_addr;39 40 client_fd = socket(af_inet, sock_dgram, 0);41 if(client_fd < 0)42 {43 printf(create socket fail!\n);44 return -1;45 }46 47 memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));48 ser_addr.sin_family = af_inet;49 //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip);50 ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); //注意网络序转换51 ser_addr.sin_port = htons(server_port); //注意网络序转换52 53 udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);54 55 close(client_fd);56 57 return 0;58 } 以上的框架用于一台主机不同端口的udp通信，现象如下：
我们先建立server端，等待服务；然后我们建立client端请求服务。
server端：
client端：
自己主机跟自己通信不是很爽，我们想跟其他主机通信怎么搞？很简单，上面client的代码的第49行的注释打开，并注释掉下面那行，在宏定义里填入自己想通信的serverip就可以了。现象如下：
server端：
client端：
这样我们就实现了主机172.0.5.183和172.0.5.182之间的网络通信。
udp通用框架搭建完成，我们可以利用该框架跟指定主机进行通信了。
如果想学习udp的基础知识，以上的知识就足够了；如果想继续深入学习一下udp socket一些高级知识（奇技淫巧），可以花点时间往下看。
二、高级udp socket编程
1. udp的connect函数
什么？udp也有conenct？connect不是用于tcp编程的吗？
是的，udp网络编程中的确有connect函数，但它仅仅用于表示确定了另一方的地址，并没有其他含义。
有了以上认识后，我们可以知道udp套接字有以下区分：
未连接的udp套接字
已连接的udp套接字
对于未连接的套接字，也就是我们常用的的udp套接字，我们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的ip和端口是在调用sendto/recvfrom时确定的；
在一个未连接的udp套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行以下六个步骤：
连接套接字
输出第一个数据报
断开套接字连接
连接套接字
输出第二个数据报
断开套接字连接
对于已连接的udp套接字，必须先经过connect来向目标服务器进行指定，然后调用read/write进行信息的收发，目标主机的ip和端口是在connect时确定的，也就是说，一旦conenct成功，我们就只能对该主机进行收发信息了。
已连接的udp套接字给两个数据报调用write函数内核将执行以下三个步骤：
连接套接字
输出第一个数据报
输出第二个数据报
由此可以知道，当应用进程知道给同一个目的地址的端口号发送多个数据报时，显示套接字效率更高。
下面给出带connect函数的udp通信框架
具体框架代码不再给出了，因为跟上面不带connect的代码大同小异，仅仅多出一个connect函数处理而已，下面给出处理conenct()的基本步骤。
void udp_handler(int s, struct sockaddr* to){ char buf[1024] = test udp !; int n = 0; connect(s, to, sizeof(*to); n = write(s, buf, 1024); read(s, buf, n);} 2. udp报文丢失问题
因为udp自身的特点，决定了udp会相对于tcp存在一些难以解决的问题。第一个就是udp报文缺失问题。 在udp服务器客户端的例子中，如果客户端发送的数据丢失，服务器会一直等待，直到客户端的合法数据过来。如果服务器的响应在中间被路由丢弃，则客户端会一直阻塞，直到服务器数据过来。
防止这样的永久阻塞的一般方法是给客户的recvfrom调用设置一个超时，大概有这么两种方法：
使用信号sigalrm为recvfrom设置超时。首先我们为sigalarm建立一个信号处理函数，并在每次调用前通过alarm设置一个5秒的超时。如果recvfrom被我们的信号处理函数中断了，那就超时重发信息；若正常读到数据了，就关闭报警时钟并继续进行下去。
使用select为recvfrom设置超时 设置select函数的第五个参数即可。
3. udp报文乱序问题
所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为a、b、c，但是接收到的数据顺序却为：a、c、b。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。udp协议并不保证数据报的按序接收。
解决这个问题的方法就是发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。
4. udp流量控制问题
总所周知，tcp有滑动窗口进行流量控制和拥塞控制，反观udp因为其特点无法做到。udp接收数据时直接将数据放进缓冲区内，如果用户没有及时将缓冲区的内容复制出来放好的话，后面的到来的数据会接着往缓冲区放，当缓冲区满时，后来的到的数据就会覆盖先来的数据而造成数据丢失（因为内核使用的udp缓冲区是环形缓冲区）。因此，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将因为来不及接收而发生信息丢失。
解决方法一般采用增大udp缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。
int n = 220 * 1024; //220kbsetsocketopt(sockfd, sol_socket, so_rcvbuf, &n, sizeof(n)); 这样我们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽量避免丢失数据的发生。
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要使用udp协议进行程序开发，我们必须首先得理解什么是什么是udp？这里简单概括一下。
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udp通信的流程比较简单，因此要搭建这么一个常用的udp通信框架也是比较简单的。以下是udp的框架图。
由以上框图可以看出，客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。
2. udp程序设计常用函数
#include #include int socket(int domain, int type, int protocol);参数domain:用于设置网络通信的域，socket根据这个参数选择信息协议的族name purpose af_unix, af_local local communication af_inet ipv4 internet protocols //用于ipv4af_inet6 ipv6 internet protocols //用于ipv6af_ipx ipx - novell protocolsaf_netlink kernel user interface device af_x25 itu-t x.25 / iso-8208 protocol af_ax25 amateur radio ax.25 protocolaf_atmpvc access to raw atm pvcsaf_appletalk appletalk af_packet low level packet interface af_alg interface to kernel crypto api对于该参数我们仅需熟记af_inet和af_inet6即可 小插曲：pf_xxx和af_xxx
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af_前缀表示地址族（address family），而pf_前缀表示协议族（protocol family）。历史上曾有这样的想法：单个协议族可以支持多个地址族，pf_的值可以用来创建套接字，而af_值用于套接字的地址结构。但实际上，支持多个地址族的协议族从来就没实现过，而头文件中为一给定的协议定义的pf_值总是与此协议的af_值相同。
所以我在实际编程时还是偏向于使用af_xxx。
参数type（只列出最重要的三个）:
sock_stream provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. //用于tcp
sock_dgram supports datagrams (connectionless, unreliable messages ). //用于udp
sock_raw provides raw network protocol access. //raw类型，用于提供原始网络访问
参数protocol：置0即可
返回值：成功：非负的文件描述符
失败：-1
#include #include ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：发送缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据
第三个参数len:发送缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数dest_addr:指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪个主机哪个进程
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#include #include ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：接收缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有接收到的数据
第三个参数len:接收缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数src_addr:指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以从该参数获取到数据是谁发出的
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回接收成功的数据长度
失败： -1
#include #include int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen); 第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数my_addr:需要绑定的ip和端口
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我们先建立server端，等待服务；然后我们建立client端请求服务。
server端：
client端：
自己主机跟自己通信不是很爽，我们想跟其他主机通信怎么搞？很简单，上面client的代码的第49行的注释打开，并注释掉下面那行，在宏定义里填入自己想通信的serverip就可以了。现象如下：
server端：
client端：
这样我们就实现了主机172.0.5.183和172.0.5.182之间的网络通信。
udp通用框架搭建完成，我们可以利用该框架跟指定主机进行通信了。
如果想学习udp的基础知识，以上的知识就足够了；如果想继续深入学习一下udp socket一些高级知识（奇技淫巧），可以花点时间往下看。
二、高级udp socket编程
1. udp的connect函数
什么？udp也有conenct？connect不是用于tcp编程的吗？
是的，udp网络编程中的确有connect函数，但它仅仅用于表示确定了另一方的地址，并没有其他含义。
有了以上认识后，我们可以知道udp套接字有以下区分：
未连接的udp套接字
已连接的udp套接字
对于未连接的套接字，也就是我们常用的的udp套接字，我们使用的是sendto/recvfrom进行信息的收发，目标主机的ip和端口是在调用sendto/recvfrom时确定的；
在一个未连接的udp套接字上给两个数据报调用sendto函数内核将执行以下六个步骤：
连接套接字
输出第一个数据报
断开套接字连接
连接套接字
输出第二个数据报
断开套接字连接
对于已连接的udp套接字，必须先经过connect来向目标服务器进行指定，然后调用read/write进行信息的收发，目标主机的ip和端口是在connect时确定的，也就是说，一旦conenct成功，我们就只能对该主机进行收发信息了。
已连接的udp套接字给两个数据报调用write函数内核将执行以下三个步骤：
连接套接字
输出第一个数据报
输出第二个数据报
由此可以知道，当应用进程知道给同一个目的地址的端口号发送多个数据报时，显示套接字效率更高。
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具体框架代码不再给出了，因为跟上面不带connect的代码大同小异，仅仅多出一个connect函数处理而已，下面给出处理conenct()的基本步骤。
void udp_handler(int s, struct sockaddr* to){ char buf[1024] = test udp !; int n = 0; connect(s, to, sizeof(*to); n = write(s, buf, 1024); read(s, buf, n);} 2. udp报文丢失问题
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3. udp报文乱序问题
所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为a、b、c，但是接收到的数据顺序却为：a、c、b。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。udp协议并不保证数据报的按序接收。
解决这个问题的方法就是发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。
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解决方法一般采用增大udp缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。
int n = 220 * 1024; //220kbsetsocketopt(sockfd, sol_socket, so_rcvbuf, &n, sizeof(n)); 这样我们就把接收方的接收队列扩大了，从而尽量避免丢失数据的发生。
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