UDP协议、UDP编程、有连接的UDP

2020-05-04

基础知识

UDP 输出 TCP/IP 协议分层中的传输层。
UDP 是一个不可靠的通信协议，没有重传和确认，没有有序控制，也没有拥塞控制。
UDP 不保证报文的有效传递，不保证报文的有序，也就是说使用 UDP 的时候，我们需要做好丢包、重传、报文组装等工作。
UDP 比较简单，适合的场景还是比较多的，我们常见的 DNS 服务，SNMP 服务都是基于 UDP 协议的，这些场景对时延、丢包都不是特别敏感。另外多人通信的场景，如聊天室、多人游戏等，也都会使用到 UDP 协议。
OSI和TCP/IP

报文格式

UDP 报头长 8 字节，分别是源端口、目的端口、UDP 报文长度、校验和。
因为 UDP 报文长度只用 2 个字节记录，所以包含报头长度的报文最大长度为 65535 字节。

用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) - UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误。
由于IP有最大MTU，因此，
UDP 包的大小应该是 1500 - IP头(20) - UDP头(8) = 1472(Bytes)

UDP报文

UDP 编程

服务器：
1、创建 socket。
2、绑定要监听的 ip 和 port。
3、循环：
3.1、调用 recvfrom 读取接收到的报文，如果没有报文则阻塞在这里。
3.2、收到报文处理完后调用 sendto 将相应发给客户端。

客户端：
1、创建 socket。
2、循环：
2.1、调用 sendto 发送请求。
2.2、调用 recvfrom 接收相应。

#include <sys/socket.h>
// 返回值：收到数据的字节数
// 参数：
// 		sockfd：socket描述符
// 		buff：本地缓存
// 		nbytes：缓存最大接收字节数
// 		flags：I/O 相关的参数，一般使用 0 即可
// 		from：发送端的 ip 和 port 等信息
// 		addrlen：from 的大小
ssize_t 
recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags, 
　　　　　　　　　　struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen); 
　　　　
// 返回值：发送了多少字节
// 参数：和上面的 recvfrom 类似　　　　　　
ssize_t
sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
                const struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

UDP编程时序
代码参考我之前的文章：UDP 回显程序https://blog.csdn.net/Hanoi_ahoj/article/details/105358383

UDP 报文的“无连接”的特点，可以在 UDP 服务器重启之后，继续进行报文的发送，这就是 UDP 报文“无上下文”的最好说明。

有连接的 UDP

通过上文，在 UDP 中是不需要类似于 TCP 编程中的 connect 建立连接的。
其实 UDP 也可以是 “有连接” 的。

下面通过一个程序来测试一下：
客户端： 需要注意的是在创建完 socket 后进行了 connect，绑定了服务器的 ip 和 port。

// UDP connect 测试客户端

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  if (socket_fd < 0) {
    perror("socket");
    return -1;
  }

  struct sockaddr_in server_addr;
  bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(9090);
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

  int ret = connect(socket_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
  if (ret < 0) {
    perror("connect");
    return -1;
  }

  while (1) {
    char buf[1024] = {0};
    printf("input>");
    scanf("%s", buf);
    ssize_t n = sendto(socket_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (n < 0) {
      perror("sendto");
      continue;
    }

    printf("%zd bytes sent to [%s:%d]\n", n, inet_ntoa(server_addr.sin_addr), ntohs(server_addr.sin_port));

    bzero(buf, sizeof(buf));
    n = recvfrom(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    if (n < 0) {
      perror("recvfrom");
      return -1;
    }
    printf("resp: %s\n", buf);
  }

  close(socket_fd);
  return 0;
}

服务器： 就是正常的服务器，收到请求原封不动返回。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  if (socket_fd < 0) {
    perror("socket");
    return -1;
  }

  struct sockaddr_in server_addr;
  bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
  server_addr.sin_port = htons(9090);
  int ret = bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
  if (ret < 0) {
    perror("bind");
    return -1;
  }

  // 一般服务器不进行 connect 操作
  while (1) {
    char buf[1024] = {0};
    struct sockaddr_in client_addr;
    bzero(&client_addr, sizeof(client_addr));
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    ssize_t n = recvfrom(socket_fd, buf, sizeof(buf) - 1, 0,
        (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
    if (n < 0) {
      perror("recvfrom");
      continue;
    }
    buf[n] = '\0';

    printf("req->[%s:%d] %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr),
        ntohs(client_addr.sin_port), buf);

    n = sendto(socket_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, client_addr_len);
    if (n < 0) {
      perror("sendto");
      continue;
    }
  }

  close(socket_fd);
  return 0;
}

1 2	gcc client.c -o client gcc server.c -o server

测试：
1、不运行 server，只运行 client。
可以看到，在调用 sendto 的时候发送了，但是当走到 recvfrom 的时候出错 Connection refused。

client
2、运行 server 和 client。
正常的接收请求、处理请求过程。
server && client

UDP connect 的作用

不用 connect 的话，不开启 server，运行 client，程序会阻塞在 recvfrom 上。直到服务器重启或者超时。
通常 UDP 的服务器是不需要进行 connect 的，因为 connect 以后这个服务器就只能对这个客户端进行服务器了。

==connect 的作用就是让程序尽早收到错误信息返回：==

通过对 UDP 套接字进行 connect 操作，将 UDP 套接字建立了“上下文”，该套接字和服务器端的地址和端口产生了联系，正是这种绑定关系给了操作系统内核必要的信息，能够将操作系统内核收到的信息和对应的套接字进行关联。

调用 sendto 或者 send 操作函数时，应用程序报文被发送，我们的应用程序返回，操作系统内核接管了该报文，之后操作系统开始尝试往对应的地址和端口发送，因为对应的地址和端口不可达，一个 ICMP 报文会返回给操作系统内核，该 ICMP 报文含有目的地址和端口等信息。

进行了 connect 操作，帮助操作系统内核从容建立了（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之间的映射关系，当收到一个 ICMP 不可达报文时，操作系统内核可以从映射表中找出是哪个 UDP 套接字拥有该目的地址和端口，别忘了套接字在操作系统内部是全局唯一的，当我们在该套接字上再次调用 recvfrom 或 recv 方法时，就可以收到操作系统内核返回的“Connection Refused”的信息。

在对 UDP 进行 connect 之后，关于收发函数的使用，很多书籍是这样推荐的：
使用 send 或 write 函数来发送，如果使用 sendto 需要把相关的 to 地址信息置零；
使用 recv 或 read 函数来接收，如果使用 recvfrom 需要把对应的 from 地址信息置零。
其实不同的 UNIX 实现对此表现出来的行为不尽相同。

==效率因素：==

因为如果不使用 connect 方式，每次发送报文都会需要这样的过程：
连接套接字→发送报文→断开套接字→连接套接字→发送报文→断开套接字 →………

而如果使用 connect 方式，就会变成下面这样：
连接套接字→发送报文→发送报文→……→最后断开套接字

我们知道，连接套接字是需要一定开销的，比如需要查找路由表信息。所以，UDP 客户端程序通过 connect 可以获得一定的性能提升。

参考：极客时间 - 网络编程实战(https://time.geekbang.org/column/article/129807)

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