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网络编程六--UDP服务器客户端

2023-10-30

写在前面

UDP（User Datagram Protocol）称为用户数据报协议，是一种无连接的传输协议。

UDP的主要应用在即使丢失部分数据，也不影响整体效果的场景。例实时传输视频或音频时，即使丢失部分数据，也不会影响整体效果，只是会有轻微的画面抖动或杂音。

UDP中的服务器/客户端没有连接

UDP服务器/客户端不像TCP那样，交换数据前需进行connect和accept进行连接。UDP中只有创建套接字和数据交互的过程。

UDP服务器和客户端均只需要一个套接字

在TCP服务器/客户端程序中，套接字是一一对应的关系。服务器若要向10个客户端提供服务，除了监听套接字外，还需要10个对应客户端的服务器套接字。

而在UDP中，不管是服务器还是客户端均只有一个套接字。在服务器端，可以通过服务器端的这个套接字向多个不同的客户端提供服务。同理，在客户端，也可以通过客户端的这个套接字向不同服务器请求服务。

基于UDP的IO函数

创建好TCP套接字后，需要事先通过bind函数绑定IP和端口，并维持和对方的连接。
而UDP没有绑定IP和端口的步骤，因此不会保持连接。那么传输数据时就需要在IO函数中指定要目的地地址。

#include <winsock2.h>
int WSAAPI sendto(SOCKET s, const char *buf,  int len, int flags, const sockaddr *to, int tolen);
//s: 标识 (可能连接的) 套接字的描述符
//buf: 指向包含要传输数据的缓冲区的指针
//len: buf 参数指向的数据长度（以字节为单位）
//flags: 一组标志，用于指定调用的进行方式
//to: 指向包含目标套接字地址的 sockaddr 结构的可选指针
//tolen: 参数指向的地址的大小（以字节为单位）
//返回值：如果未发生错误， sendto 将返回发送的字节总数，这可能小于 len 指示的数字。 否则，将返回SOCKET_ERROR值

int WSAAPI recvfrom( SOCKET s,  char *buf, int len, int flags, sockaddr* from, int* fromlen);
//s: 标识绑定套接字的描述符
//buf: 传入数据的缓冲区
//len: buf 参数指向的缓冲区的长度（以字节为单位）
//flags: 一组选项，用于修改函数调用的行为，超出为关联套接字指定的选项
//from: 指向 sockaddr 结构中缓冲区的可选指针，将在返回时保存源地址, 注意这是一个输出参数
//fromlen: 指向 参数 指向的缓冲区大小（以字节为单位）的可选指针

下面将给出基于UDP的服务器/客户端代码示例。

服务器

// UDP_Server.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 2)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}
	
	//服务器端UDP套接字，第三个参数也可传0
	SOCKET srvSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == srvSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	//服务器端地址信息
	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = htonl(ADDR_ANY);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[1]));
	int srvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	//因为该示例先使用recvfrom从客户端接收数据，因此这里需先调用bind函数绑定服务器端UDP套接字的地址信息。否则接收到的数据不知道要给哪个应用程序
	//可尝试屏蔽这部分，查看终端是否会打印客户端发来的数据
	if (SOCKET_ERROR == bind(srvSock, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr)))
	{
		printf("bind Error!\n");
		closesocket(srvSock);
		WSACleanup();
		return -1;
	}
	
	//这里事先创建并初始化客户端的地址信息变量。
	//之后recvfrom时会添加该变量值
	SOCKADDR_IN cltAddr;
	memset(&cltAddr, 0, sizeof(cltAddr));
	int nCltAddrLen = sizeof(cltAddr);

	char Msg[BUF_SIZE];
	int recvLen = 0;
	while (true)
	{
		printf("Wait Msg From Client...\n");
		//无连接的UDP套接字，sendto和recvfrom必须一一对应，也没有数据边界
		//无连接的UDP套接字不会保持连接状态，因此每次传输数据都需要添加目标地址信息。
		//第五、六个参数用来填充保存客户端的地址信息
		//这里使用一个服务器端UDP套接字srvSock，从多个客户端接收数据
		recvLen = recvfrom(srvSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&cltAddr, &nCltAddrLen);
		if (recvLen == -1)
		{
			//UDP属于无连接协议，因此没有断开连接的说法，这里不会进来
			printf("Client Disconnected.");
			break;
		}
		Msg[recvLen] = 0;
		printf("Receive Msg from Client: %s\n", Msg);
		
		//第五、六个参数为上面保存的客户端的地址信息
		//这里使用一个服务器端UDP套接字srvSock，回复多个客户端，通过接收数据时填充的地址信息标识多个客户端
		sendto(srvSock, Msg, recvLen, 0, (sockaddr*)&cltAddr, nCltAddrLen);
	}
	closesocket(srvSock);
	WSACleanup();

	return 0;
}

客户端

// UDP_Client.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}

	//客户端UDP套接字
	SOCKET cltSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == cltSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	//服务器端地址信息
	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[2]));
	int nSrvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	char Msg[BUF_SIZE];
	int recvLen = 0;
	while (true)
	{
		fputs("Input Msg(q to quit): ", stdout);
		fgets(Msg, sizeof(Msg), stdin);
		
		if (!strcmp(Msg, "q\n") || !strcmp(Msg, "Q\n"))
		{
			printf("Disconnected...");
			break;
		}
		
		//这里向地址信息为srvAddr传输数据
		//这里客户端UDP套接字cltSock没有事先绑定IP和端口，因此每次调用sendto时都会自动分配IP和端口
		sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr));

		recvLen = recvfrom(cltSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&srvAddr, &nSrvAddrLen);
		Msg[recvLen] = 0;

		printf("Msg From Server: %s\n", Msg);
	}

	closesocket(srvSock);
	WSACleanup();

	return 0;
}

UDP客户端套接字地址分配

还记得此前的TCP客户端代码，通过connect函数连接服务器，并自动完成客户端套接字的IP和端口分配。

而在UDP程序中，调用sendto函数传输数据前应该完成对套接字的地址分配工作。
在UDP中能否通过bind函数为套接字绑定IP和端口呢？答案是可以的，因为bind不区分UDP和TCP，因此在UDP程序中也可以使用。

另外，调用sendto函数时发送尚未分配地址信息，则在首次调用sendto函数时给相应套接字自动分配IP和端口，而且此时分配的IP和端口会一直保留到程序结束为止。

综上，在UDP中，调用sendto函数时会自动分配地址信息。

存在数据边界的UDP套接字

UDP是具有数据边界的协议，这意味着输入函数的调用次数必须严格对应输出函数的调用次数，这样才能接收到完整的数据。

这里在客户端调用三次sendto函数，即发送三次数据到服务器，在服务器端只调用一次recvfrom函数试图接收所有数据，这是行不通的。

服务器端代码如下：

//UDP_Server.cpp

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 2)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}

	SOCKET srvSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == srvSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = htonl(ADDR_ANY);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[1]));
	int srvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	if (SOCKET_ERROR == bind(srvSock, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr)))
	{
		printf("bind Error!\n");
		closesocket(srvSock);
		WSACleanup();
		return -1;
	}
	
	char Msg[BUF_SIZE];
	int recvLen = 0;

	SOCKADDR_IN cltAddr;
	memset(&cltAddr, 0, sizeof(cltAddr));
	int nCltAddrLen = sizeof(cltAddr);

	recvLen = recvfrom(srvSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&cltAddr, &nCltAddrLen);
	Msg[recvLen] = 0;

	printf("recvfrom client msg: %s\n", Msg);

	closesocket(srvSock);
	WSACleanup();

	getchar();

	return 0;
}

客户端代码如下：

//UDP_Client.cpp
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}

	SOCKET cltSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == cltSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[2]));

	int nSrvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	char Msg[BUF_SIZE] = "0123456789";
	int recvLen = 0;

	//客户端发送三次数据，服务器端调用一次recvfrom试图接收三次数据。是行不通的
	int nSendLend = 0;
	
	//因为没有事先为cltSock分配地址信息，因此这里每次调用都会自动分配IP和端口
	nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);
	nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);
	nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);


	closesocket(cltSock);
	WSACleanup();

	getchar();

	return 0;
}

存在数据边界的UDP套接字测试

服务器端也必须调用相应次数的recvfrom才能接收到客户端发来的完整数据：

//调整UDP_Server.cpp中接收数据部分处理
//上文同上，故省略
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		recvLen = 0;
		recvLen = recvfrom(srvSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&cltAddr, &nCltAddrLen);
		Msg[recvLen] = 0;
		printf("recvfrom client msg: %s\n", Msg);
	}
//下文同上，故省略

数据边界处理测试结果

已连接（connected）和未连接（unconnected）的UDP套接字

TCP套接字中需注册待传输数据的目标IP和端口号，而UDP中无需事先注册。因此，通过sendto函数传输数据的过程大致可分为以下3个阶段：
①向UDP套接字注册目标IP和端口号
②传输数据
③删除UDP套接字中注册的模板地址信息

每次调用sendto函数时重复上述过程。每次都变更目标地址，因此可以重复利用同一UDP套接字向不同目标传输数据。
这种事先注册目标地址信息，在sendto时才注册的套接字称为未连接套接字。反之事先注册了目标地址的套接字称为连接套接字。显然UDP套接字默认属于未连接套接字。

但UDP套接字在只需向一个目标地址传输数据时就显得不太合理。
例：IP为169.21.32.110的主机9190号端口共准备了3个数据，因此需要调用三次sendto函数进行传输。
此时需要重复上述三阶段，上述三个阶段中，第①、③个阶段占整个通信过程近1/3的时间，缩短这部分时间将大大提高整体效率。
因此，要与同一主机进行长时间通信时，将UDP套接字编程连接套接字会提供效率。

如何将UDP套接字变成连接套接字？
对UDP套接字调用connect函数即可。

修改上面服务器/客户端代码如下：

//UDP_Server.cpp
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 2)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}

	SOCKET srvSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == srvSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = htonl(ADDR_ANY);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[1]));
	int srvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	if (SOCKET_ERROR == bind(srvSock, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr)))
	{
		printf("bind Error!\n");
		closesocket(srvSock);
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	char Msg[BUF_SIZE];
	int recvLen = 0;

	SOCKADDR_IN cltAddr;
	memset(&cltAddr, 0, sizeof(cltAddr));
	int nCltAddrLen = sizeof(cltAddr);

	while (true)
	{
		printf("Wait Msg From Client...\n");
		//无连接的UDP套接字，存在数据边界，sendto和recvfrom必须一一对应
		//无连接的UDP套接字不会保持连接状态，因此每次传输数据都需要添加目标地址信息
		recvLen = recvfrom(srvSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&srvAddr, &srvAddrLen);
		if (recvLen == -1)
		{
			//UDP属于无连接协议，因此没有断开连接的说法，这里不会进来
			printf("Client Disconnected.");
			break;
		}
		Msg[recvLen] = 0;
		printf("Receive Msg from Client: %s\n", Msg);

		sendto(srvSock, Msg, recvLen, 0, (sockaddr*)&srvAddr, srvAddrLen);
	}

	closesocket(srvSock);
	WSACleanup();

	getchar();

	return 0;
}


//UDP_Client.cpp

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#define BUF_SIZE 1024


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		return -1;
	}

	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		printf("WSAStartup Error!\n");
		return -1;
	}

	SOCKET cltSock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (INVALID_SOCKET == cltSock)
	{
		printf("socket Error!\n");
		WSACleanup();
		return -1;
	}

	SOCKADDR_IN srvAddr;
	memset(&srvAddr, 0, sizeof(srvAddr));
	srvAddr.sin_family = PF_INET;
	srvAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	srvAddr.sin_port = htons(_ttoi(argv[2]));

	int nSrvAddrLen = sizeof(srvAddr);

	//将UDP套接字转换成连接套接字，在此函数内分配cltSock的地址信息
	connect(cltSock, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr));

	char Msg[BUF_SIZE] = "0123456789";
	int recvLen = 0;

	//客户端发送三次数据，服务器端调用一次recvfrom试图接收三次数据。是行不通的
	//int nSendLend = 0;
	//nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);
	//nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);
	//nSendLend += sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, nSrvAddrLen);


	while (true)
	{
		fputs("Input Msg(q to quit): ", stdout);
		fgets(Msg, sizeof(Msg), stdin);
		
		if (!strcmp(Msg, "q\n") || !strcmp(Msg, "Q\n"))
		{
			printf("Disconnected...");
			break;
		}
		//上面已事先分配IP和端口，因此后续的sendto调用都不再有分配和删除地址信息处理，从而提交整体效率。
		//sendto(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0, (sockaddr*)&srvAddr, sizeof(srvAddr));

		//recvLen = recvfrom(cltSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0, (sockaddr*)&srvAddr, &nSrvAddrLen);
		//Msg[recvLen] = 0;

		//已连接的UDP套接字可以直接使用send 和 recv函数
		send(cltSock, Msg, strlen(Msg), 0);

		recvLen = recv(cltSock, Msg, BUF_SIZE - 1, 0);
		Msg[recvLen] = 0;

		printf("Msg From Server: %s\n", Msg);
	}
	

	closesocket(cltSock);
	WSACleanup();

	getchar();

	return 0;
}

已连接的UDP套接字测试结果

总结

综上，可总结UDP服务器/客户端的开发步骤如下：
服务器端：
①创建服务器端UDP套接字
②通过bind绑定服务器端UDP套接字的地址信息
③事先准备SOCKADDR_IN变量保存往来的客户端的地址信息
④使用recvfrom、sendto函数交互数据
⑤关闭服务器端套接字

客户端：
①创建客户端UDP套接字
②初始化服务器端地址信息
③【可选】调用connect函数事先分配客户端UDP套接字的地址信息
④未事先连接的情况下，可使用sendto、recvfrom函数与服务器交互。事先通过connect函数连接的情况下，还可使用send、recv与服务器交互
⑤关闭客户端套接字

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