58-基于 UDP 协议的回射服务器

1. UDP 协议概述

UDP 协议比 TCP 协议要简单的多，它是一种无连接的协议。无连接，意味着各个报文没有顺序性，你可能先发了一个数据包 A，后发一个数据包 B，结果对方却先收到 B，后收到 A.

UDP 协议首部也非常简单，如图 1.

图1 UDP 首部

UDP 协议不提供可靠性，这意味着不能保证对端一定能收到数据。

2. 本文实验所用的程序路径

代码托管在 gitos 上，请使用下面的命令获取：

git clone https://git.oschina.net/ivan_allen/unp.git

如果你已经 clone 过这个代码了，请使用 git pull 更新一下。本节程序所使用的程序路径是 unp/program/echo_udp/basic。

3. 基于 UDP 协议的回射服务器

• 编写 UDP 程序时，并没有像 TCP 那样建立连接的过程，只要知道对方绑定的套接字地址，就可以直接将数据发送过去。
• 在创建套接字时，第二个参数需要指定 SOCK_DGRAM，第三个参数是 0.
• 无论是服务器还是客户端，都需要绑定套接字地址。对于服务器来说，需要的显式的绑定套接字地址。

下面是回射服务器的伪代码，我们可以看见，它比基于 TCP 的回射服务器要简洁的多，但是，它也更加不可靠。谁也不能保证客户端发送的 udp 报文一定会被服务器收到，也不能保证服务器处理完的数据一定会被客户端收到。

具体的代码请参考 unp/program/echo_udp/basic/echo.cc.

3.1 服务器程序伪代码

void server() {
  int sockfd, len, nr, nw;
  char buf[4096];
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  servaddr = resolve(ip, port);
  bind(sockfd, &servaddr, sizeof(servaddr));
  while(1) {
    // 接收客户端发来的数据
    len = sizeof(cliaddr);
    nr = recvfrom(sockfd, buf, 4096, 0, &cliaddr, &len);
    // process(buf, nr); 处理数据
    // 发送回去
    nw = sendto(sockfd, buf, nr, 0, &cliaddr, len);
  }
}

3.2 客户端伪代码

void server() {
  int sockfd, len, nr, nw;
  char buf[4096];
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  servaddr = resolve(ip, port);

  while(1) {
    // 从标准输入接收数据
    fgets(buf, 4096, stdin);
    // 发送给服务器
    nw = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, &servaddr, sizeof(servaddr));
    // 接收数据
    len = sizeof(cliaddr);
    nr = recvfrom(sockfd, buf, 4096, 0, NULL, NULL);
    // 将数据写到标准输出
    puts(buf);    
  }
}

4. recvfrom 和 sendto

• 函数原型

// recvfrom 接收任何发给自己的数据报
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

// sendto 发送数据报给指定的套接字地址。如果当前 sockfd 还未绑定套接字地址，sendto 还会默认为其分配一个 ip:port 进行绑定
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);                        

• 参数

这两个函数和 read 和 write 非常像，不过它们多了三个参数。前三个参数和 read、write 是一样的，不同的在于后三个参数。

特别注意的是 recvfrom 的 addrlen 参数是一个指针，它既是传入参数，也是传出参数。

• 返回值

sendto 返回值表示实际写入的字节数据

recvfrom 返回值表示实际接收到的字节数。

两个函数返回 -1 表示出错。

• 要注意的地方

1) sendto 可以发送长度为 0 的数据报，这意味着 UDP 只会发送 8 字节的 UDP 首部，而没有数据。

2) recvfrom 也可以返回 0，它不像 TCP，read 返回 0 表示对端发送了 FIN。UDP 是无连接的，因此也没有关闭 UDP 连接之类的事情。

5. 程序运行结果

很开心新增了一台新主机 mars！今天就用它来当服务器，试试水。

• 在 mars 上启动服务器

./echo -s -h mars

• 在 sun 上启动客户端

// 表示连接主机 mars
./echo -h mars

图2 运行结果

左右是客户端，右侧是服务器。服务器打点是为了提示我们它收到数据了，并没有其它目的。

图3 tcpdump 输出

从图 3 中我们看到，客户端与服务器并没有任何建立连接的过程。

6. 总结

• 掌握基本的 UDP 编程方法
• 掌握 recvfrom 和 sendto 基本的用法

思考：客户端是在什么时候绑定套接字地址的？