网络与通信程序设计-基于UDP的广播通信实例

目录

实验内容和设计思想

实验的内容

UDP的设计思想

UDP的协议头部

UDP通信编程思想

UDP的工作流程

UDP编程收发函数

广播通信

广播模式设置

广播套接字

UDP Socket的使用过程

UDP广播通信实例实现

initsock.h

服务器发送广播消息

客户端接收广播消息

运行效果

实验心得 

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实验内容和设计思想

通过本文的学习，希望可以帮助大家完成一个简易的基于UDP的广播通信实例

实验的内容

编写基于广播通信模型的服务器端和客户端通信程序，要求编程实现服务器端与客户端之间广播数据传递。服务器端向所有客户端发送“今天是个好日子！”广播消息，客户端收到并在本地显示给用户。

UDP的设计思想

由于UDP协议本身异常简单，实际上只为IP传输起到了桥梁的作用,在一些场景上通过【 应用层->UDP->IP 】的封装方式，可以极大的提高程序调用效率。

UDP(User Datagram Protocol)传输与IP传输非常类似。你可以将UDP协议看作IP协议暴露在传输层的一个接口。UDP协议同样以数据包(datagram)的方式传输，它的传输方式也是"Best Effort"的，所以UDP协议也是不可靠的(unreliable)。

UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

UDP的协议头部

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UDP通信编程思想

UDP的工作流程

UDP 用户数据报协议提供的是无连接的、不可靠的数据传输服务，但是不需要像 TCP 那样建立连接，所以传输效率高。

 对比TCP的工作流程

UDP编程收发函数

UDP编程的数据收发函数为sendto()和recvfrom()

int sendto(
    SOCKET s,                            //发送数据的套接字
    const char FAR * buf,                //发送数据的缓冲区
    int len,                             //发送数据的长度
    int flags,                           //一般指定为0
    const struct sockaddr FAR * to,      //指向一个包含目标地址和端口号的sockaddr_in结构
    int tolen                            //为sockaddr_in结构的大小
    );

同样的接收数据的函数是 recvfrom()，UDP接收数据时也需要知道通信对端的地址信息。

int recvfrom(SOCKET s,char FAR*buf,int len,int flag,struct sockaddr_in FAR*from,int FAR*fromlen)

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广播通信

利用广播（broadcast）可以将数据发送给本地子网上的每个机器，同时需要有一些线程在机器上监听到来的数据。广播的缺点是如果多个进程都发送广播数据，网络就会阻塞，网络性能便会受到影响。

利用广播（broadcast）可以将数据发送给本地子网上的每个机器。

广播模式设置

广播套接字

获取和设置套接字选项的函数分别是 getsockopt() 和 setsockopt()，函数调用出错时返回 SOCKET ERROR。

int setsockopt(
    SOCKET s,
    int level,
    int optname,
    const char FAR * optval,
    int* optlen
    );
 

参数说明：

同理接收套接字也采用类似于setsockopt的定义模式

int getsockopt(SOCKET s,int level, optname, const char FAR * optval,int* optlen);

此外，进行广播通信，必须打开广播选项SO_BROADCAST为True。

SOBROADCAST 选项设置套接字传输和接收广播消息，如果给定套接字已经被设置为接收或者发送广播数据，查询此套接字选项将返回TRUE，此选项对于那些不是SOCK_STREAM类型的套接字有效。

 SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 有效SO_BROADCAST选项
    BOOL bBroadcast = TRUE;
    ::setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&bBroadcast, sizeof(BOOL));

UDP Socket的使用过程

1. 初始化网络库

2. 创建SOCK_DGRAM类型的Socket。

3. 绑定套接字。

4. 发送、接收数据。

5. 销毁套接字。

6. 释放网络库。

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UDP广播通信实例实现

实现服务器端与客户端之间广播数据传递，服务器端向所有客户端发送“今天是个好日子！”广播消息，客户端收到并在本地显示。

initsock.h

#include 
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到 WS2_32.lib
 
class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的构造器*/
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        // 初始化WS2_32.dll
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }
 
    /*CInitSock 的析构器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

服务器发送广播消息

对于 UDP 来说存在一个特定的广播地址 255.255.255.255，广播数据都应该发送到这里。发送方程序在创建套接字后使用 setsockopt 函数打开 SO_BROADCAST选项，然后设置广播地址 255.255.255.255，使用 sendto 函数向端口号 54321 不断发送广播数据。

#include "initsock.h"
#include 
#include 
using namespace std;
 
CInitSock theSock;
 
int main()
{
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 有效SO_BROADCAST选项
    BOOL bBroadcast = TRUE;
    ::setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&bBroadcast, sizeof(BOOL));
 
    // 设置广播地址和广播端口号
    SOCKADDR_IN bcast;
    bcast.sin_family = AF_INET;
    bcast.sin_port = htons(54321);
    bcast.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST;
 
    // 发送广播
    cout << "  开始向端口发送广播数据... \n" << endl;
    char sz[] = "今天是个好日子！ \r\n";
    while (TRUE)
    {
        time_t now = time(0);    // 基于当前系统的当前日期/时间
        char* dt = ctime(&now);
        ::sendto(s, sz, strlen(sz), 0, (sockaddr*)&bcast, sizeof(bcast));
        cout << dt << "发送广播：" << sz << endl;
        ::Sleep(5000);
    }
    return 0;
}

客户端接收广播消息

使用 recvfrom 函数，向端口号 54321 接收广播数据。

#include "initsock.h"
#include 
#include 
using namespace std;
 
CInitSock theSock;
 
int main()
{
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 
    // 首先要绑定一个本地地址，指明广播端口号
    SOCKADDR_IN sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(54321);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
    if (::bind(s, (sockaddr*)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << " bind() failed!" << endl;
        return 0;
    }
 
    // 接收广播
    cout << "  开始在端口接收广播数据... \n" << endl;
    SOCKADDR_IN addrRemote;
    int nLen = sizeof(addrRemote);
    char sz[256];
    while (TRUE)
    {
        int nRet = ::recvfrom(s, sz, 256, 0, (sockaddr*)&addrRemote, &nLen);
        if (nRet > 0)
        {
            sz[nRet] = '\0';
            time_t now = time(0);    // 基于当前系统的当前日期/时间
            char* dt = ctime(&now);
            cout << dt << "接收到广播：" << sz << endl;
        }
    }
    return 0;
}

运行效果

实验心得 

1,为了进行广播通信，必须打开广播选项SO_BROADCAST

2,接收方一定要知道广播方的端口号，然后绑定此端口号才能正确接收。

3,UDP(User Datagram Protocol)传输与IP传输非常类似。你可以将UDP协议看作IP协议暴露在传输层的一个接口。UDP协议同样以数据包(datagram)的方式传输，它的传输方式也是"Best Effort"的，所以UDP协议也是不可靠的(unreliable)。

4，由于UDP协议本身异常简单，实际上只为IP传输起到了桥梁的作用,在一些场景上通过应用层->UDP->IP的封装方式，可以极大的提高程序调用效率。

5，UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。