Socket 套接字之UDP通信

前言：

UDP 是一个面向无连接的，不安全的，报式传输层协议，udp 的通信过程默认也是阻塞的。

UDP通信不需要建立连接，因此不需要进行 connect () 操作
UDP通信过程中，每次都需要指定数据接收端的IP和端口，和发快递差不多
UDP不对收到的数据进行排序，在UDP报文的首部中并没有关于数据顺序的信息
UDP对接收到的数据报不回复确认信息，发送端不知道数据是否被正确接收，也不会重发数据。

流程说明：

使用 UDP 进行通信，服务器和客户端的处理步骤比 TCP 要简单很多，并且两端是对等的，也就是说并没有严格意义上的客户端和服务器端。UDP 的通信流程如下：

代码实例：

service.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 通信的套接字和本地的IP与端口绑定struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(8080);    // addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 0.0.0.0int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(0);}char buf[1024];char ipbuf[64];struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);// 3. 通信while(1){// 接收数据memset(buf, 0, sizeof(buf));int rlen = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);printf("客户端的IP地址: %s, 端口: %d\n",inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),ntohs(cliaddr.sin_port));printf("客户端说: %s\n", buf);// 回复数据// 数据回复给了发送数据的客户端sendto(fd, buf, rlen, 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));}close(fd);return 0;
}

服务器端通过 bind() 函数绑定了固定的端口，然后基于这个固定的端口通过 recvfrom() 函数接收客户端发送的数据，同时通过这个函数也得到了数据发送端的地址信息（recvfrom 的第三个参数），这样就可以通过得到的地址信息通过 sendto() 函数给客户端回复数据了。
client.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 初始化服务器地址信息struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(8080);    // inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &seraddr.sin_addr.s_addr);char buf[1024];char ipbuf[64];struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);int num = 0;// 2. 通信while(1){sprintf(buf, "hello, udp %d....\n", num++);// 发送数据, 数据发送给了服务器sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&seraddr, sizeof(seraddr));// 接收数据memset(buf, 0, sizeof(buf));recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);printf("服务器说: %s\n", buf);sleep(1);}close(fd);return 0;
}

作为数据发送端，客户端不需要绑定固定端口，客户端使用的端口是随机绑定的（也可以调用 bind () 函数手动进行绑定）。客户端在接收服务器端回复的数据的时候需要调用 recvfrom() 函数，因为客户端在发送数据之前就已经知道服务器绑定的固定的 IP 和端口信息了，所以接收服务器数据的时候就可以不保存服务器端的地址信息，直接将函数的最后两个参数指定为 NULL 即可。

UDP特性之一广播：

通过广播可以向子网中多台计算机发送消息，并且子网中所有的计算机都可以接收到发送方发送的消息，每个广播消息都包含一个特殊的 IP 地址，这个 IP 中子网内主机标志部分的二进制全部为 1 （即点分十进制 IP 的最后一部分是 255）。点分十进制的 IP 地址每一部分是 1 字节，最大值为 255，比如：192.168.10.1

前两部分 192.168 表示当前网络是局域网
第三部分 10 表示局域网中的某一个网段，最大值为 255
第四部分 1 用于标记当前网段中的某一台主机，最大值为 255
每个网段都有一个特殊的广播地址，即：192.168.xxx.255
广播属性：

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,   const void *optval, socklen_t optlen);
**参数:**
sockfd：进行 UDP 通信的文件描述符
level: 套接字级别，需要设置为 SOL_SOCKET
optname：选项名，此处要设置 udp 的广播属性，该参数需要指定为：SO_BROADCAST
optval：如果是设置广播属性，该指针实际指向一块 int 类型的内存
该整型值为 0：关闭广播属性
该整形值为 1：打开广播属性
optlen：optval 指针指向的内存大小，即：sizeof(int)
**返回值：**函数调用成功返回 0，失败返回 - 1

// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
//主动发送数据不需要手动绑定固定端口（自动随机分配就可以了），因此直接设置广播属性
int opt  = 1;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &opt, sizeof(opt));
sendto();
close(fd);

数据接收端：

// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
bind();
recvfrom();
close(fd);

实例代码：

广播端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 设置广播属性int opt  = 1;setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &opt, sizeof(opt));char buf[1024];struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);cliaddr.sin_family = AF_INET;cliaddr.sin_port = htons(8080); // 接收端需要绑定8080端口// 只要主机在10网段, 并且绑定了8080端口, 这个接收端就能收到广播消息inet_pton(AF_INET, "192.168.10.255", &cliaddr.sin_addr.s_addr);// 3. 通信int num = 0;while(1){sprintf(buf, "hello, client...%d\n", num++);// 数据广播sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, len);printf("发送的广播的数据: %s\n", buf);sleep(1);}close(fd);return 0;
}
发送广播消息一端必须要开启 UDP 的广播属性，并且发送消息的地址必须是当前发送端所在网段的广播地址，这样才能通过调用一个消息发送函数将消息同时发送 N 台接收端主机上。

接收端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 通信的套接字和本地的IP与端口绑定struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(8080);    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 0.0.0.0int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(0);}char buf[1024];// 3. 通信while(1){// 接收广播消息memset(buf, 0, sizeof(buf));// 阻塞等待数据达到recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);printf("接收到的广播消息: %s\n", buf);}close(fd);return 0;
}
对于接收广播消息的一端，必须要绑定固定的端口，并由广播端将广播消息发送到这个端口上，因此所有接收端都应绑定相同的端口，这样才能同时收到广播数据。

UDP特性之一组播：

组播也可以称之为多播这也是 UDP 的特性之一。组播是主机间一对多的通讯模式，是一种允许一个或多个组播源发送同一报文到多个接收者的技术。组播源将一份报文发送到特定的组播地址，组播地址不同于单播地址，它并不属于特定某个主机，而是属于一组主机。一个组播地址表示一个群组，需要接收组播报文的接收者都加入这个群组。

广播只能在局域网访问内使用，组播既可以在局域网中使用，也可以用于广域网
在发送广播消息的时候，连接到局域网的客户端不管想不想都会接收到广播数据，组播可以控制发送端的消息能够被哪些接收端接收，更灵活和人性化。
广播使用的是广播地址，组播需要使用组播地址。
广播和组播属性默认都是关闭的，如果使用需要通过 setsockopt () 函数进行设置。

组播需要使用组播地址，在 IPv4 中它的范围从 224.0.0.0 到 239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址三类:
224.0.0.0~224.0.0.255 局部链接多播地址：是为路由协议和其它用途保留的地址，只能用于局域网中，路由器是不会转发的地址 224.0.0.0 不能用，是保留地址
224.0.1.0~224.0.1.255 为用户可用的组播地址（临时组地址），可以用于 Internet 上的。
224.0.2.0~238.255.255.255 用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效
239.0.0.0~239.255.255.255 为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效

组播地址不属于任何服务器或个人，它有点类似一个群号，任何成员（组播源）往群（组播 IP）发送消息（组播数据），这个群里的成员（组播接收者）都会接收到此消息。

组播发送端：
函数说明：

// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
参数:
sockfd：用于 UDP 通信的套接字
level：套接字级别，设置组播属性需要将该参数指定为：IPPTOTO_IP
optname: 套接字选项名，设置组播属性需要将该参数指定为：IP_MULTICAST_IF
optval：设置组播属性，这个指针需要指向一个 struct in_addr{} 类型的结构体地址，这个结构体地址用于存储组播地址，并且组播 IP 地址的存储方式是大端的。
struct in_addr
{in_addr_t s_addr;  // unsigned int
};
optlen：optval 指针指向的内存大小，即：sizeof(struct in_addr)
返回值：函数调用成功返回 0，调用失败返回 - 1
sendto();
close(fd);

组播接受端：
函数说明：

// 第二个参数是 SOCK_DGRAM, 第三个参数0表示使用报式协议中的udp
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
绑定固定的端口，发送端应该将数据发送到接收端绑定的端口上
bind();
// 加入到多播组
struct ip_mreqn opt;
// 要加入到哪个多播组, 通过组播地址来区分
inet_pton(AF_INET, "239.0.1.10", &opt.imr_multiaddr.s_addr);
opt.imr_address.s_addr = INADDR_ANY;
opt.imr_ifindex = if_nametoindex("ens33");
setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &opt, sizeof(opt));
recvfrom();
close(fd);

实例代码：
发送端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 设置组播属性struct in_addr opt;// 将组播地址初始化到这个结构体成员中即可inet_pton(AF_INET, "238.0.1.10", &opt.s_addr);setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &opt, sizeof(opt));char buf[1024];struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);cliaddr.sin_family = AF_INET;cliaddr.sin_port = htons(8080); // 接收端需要绑定8080端口// 发送组播消息, 需要使用组播地址, 和设置组播属性使用的组播地址一致就可以inet_pton(AF_INET, "238.0.1.10", &cliaddr.sin_addr.s_addr);// 3. 通信int num = 0;while(1){sprintf(buf, "hello, client...%d\n", num++);// 数据广播sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, len);printf("发送的组播的数据: %s\n", buf);sleep(1);}close(fd);return 0;
}
注意事项：在组播数据的发送端，需要先设置组播属性，发送的数据是通过 sendto () 函数发送到某一个组播地址上，并且在程序中数据发送到了接收端的 9999 端口，因此接收端程序必须要绑定这个端口才能收到组播消息。

接收端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>int main()
{// 1. 创建通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 通信的套接字和本地的IP与端口绑定struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(7777);    // addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 0.0.0.0int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(0);}// 3. 加入到多播组struct ip_mreqn opt;// 要加入到哪个多播组, 通过组播地址来区分inet_pton(AF_INET, "238.0.1.10", &opt.imr_multiaddr.s_addr);opt.imr_address.s_addr = INADDR_ANY;opt.imr_ifindex = if_nametoindex("ens11");setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &opt, sizeof(opt));char buf[1024];// 3. 通信while(1){// 接收广播消息memset(buf, 0, sizeof(buf));// 阻塞等待数据达到recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);printf("接收到的组播消息: %s\n", buf);}close(fd);return 0;
}
注意事项：作为组播消息的接收端，必须要先绑定一个固定端口（发送端就可以把数据发送到这个固定的端口上了），然后加入到组播的群组中（一个组播地址可以看做是一个群组），这样就可以接收到组播消息了。