【网络编程】TCPIP-5-UDP

2021 年 8 月 22 日
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前言
5. UDP 网络编程
参考

前言

说明：

demo 基于 Linux。

5. UDP 网络编程

UDP 是无连接的，不需要建立连接。

5.1 UDP 的工作原理

参考图：

主机B的数据包中包含目的主机的IP+端口号。
其中IP是把数据的目的主机地址，端口号是目的主机对用的程序。

路由器小知识：

IP：主机地址。如目的IP，每个路由器都会检查IP，若在本地，就往本地端口转发，若不在，就往外端口发。（在转发过程中是不会变的）
MAC：设备地址。目的MAC，下一个物理连接的设备地址。（在转发过程中可能会变，因为参考的是下一个，而不是最终目的）

5.2 UDP 的高效性

UDP 不需要建立连接和响应校验，实时性比 TCP 高。
一般用在网络实时传递的视频或者音频中，因为丢失部分数据也不会影响太大。

5.3 实现 UDP 服务端/客户端

5.3.1 概念

UDP 服务器和客户端均只需一个套接字：

TCP 中，套接字之间应该是一对一的关系。
UDP 中，不管是服务器端还是客户端都只需要 1 个套接字，就可以任意传输。

如图：

5.3.2 UDP 的数据 I/O 函数

/*
	sock: 用于传输数据的 UDP 套接字
	buff: 保存待传输数据的缓冲地址值
	nbytes: 待传输的数据长度，以字节为单位
	flags: 可选项参数，若没有则传递 0
	to: 存有目标地址的 sockaddr 结构体变量的地址值
	addrlen: 传递给参数 to 的地址值结构体变量长度
	成功时返回传输的字节数，失败时返回 -1
*/
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
               struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);


/*
	sock: 用于传输数据的 UDP 套接字
	buff: 保存待传输数据的缓冲地址值
	nbytes: 待传输的数据长度，以字节为单位
	flags: 可选项参数，若没有则传递 0
	from: 存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址值
	addrlen: 保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。
	成功时返回传输的字节数，失败时返回 -1
*/
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
                 struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);

5.3.3 UDP 客户端地址分配

TCP 中客户端地址可以设置也可以系统分配，（TCP connect() 函数自动完成分配IP&端口号），建立连接后就固定使用。

UDP 中客户端中调用 sendto() 函数时自动分配 IP 和端口号，首次调用才分配，分配后使用直至程序结束（有兴趣可以看看UDP打洞技术）。
也可以在调用 sendto() 函数前使用 bind() 函数绑定本机 IP。

5.4 UDP 的数据传输特性

TCP 是流式的数据传输，消息没有边界，需要应用层自己去定义消息边界。
UDP 是数据报传输，所以协议保证了一次只能接收一个数据报。
个人表达：数据边界意思是，数据会不会自动分割，比如两个结构体连续存在一段内存中，那是有边界的，结构体把其分割了。若把其数据拷贝到数组里面，那是无边界的，因为分不清从哪里才是分割线。

所以UDP中本端发 N 次到对端，对端就得收 N 次。

5.5 UDP 调用 connect 函数

UDP套接字分：

未连接（unconnected）UDP 套接字。
已连接（connect）UDP 套接字。

了解下 sendto() 函数传输数据过程：

第 1 阶段：向 UDP 套接字注册目标 IP 和端口号。
第 2 阶段：传输数据。
第 3 阶段：删除 UDP 套接字中注册的目标地址信息。

其实需要频繁发送，那第一阶段和第三阶段是重复多余的，所以可以使用已连接（connect）UDP 套接字。

创建已连接 UDP 套接字：

注意：这里的已连接并不是与对端建立连接，而是绑定目标端口到 UDP socket 中，后面调用 sendto() 就不用执行①、③步了。

sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr));

小知识：

UDP 是可以使用 bind() 函数的，主要是配置本地IP和端口号。若不适用，则由系统随机分配。
UDP 是可以使用 connect() 函数的，主要是配置远端IP和端口号。若不使用，则每次调用 sendto() 函数时都要设置、删除远端IP和端口号，耗时。

参考

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