• 基于UDP的服务器端和客户端


    再谈UDP和TCP

    已剪辑自: http://c.biancheng.net/view/2358.html

    TCP 是面向连接的传输协议,建立连接时要经过三次握手,断开连接时要经过四次握手,中间传输数据时也要回复 ACK 包确认,多种机制保证了数据能够正确到达,不会丢失或出错。

    UDP 是非连接的传输协议,没有建立连接和断开连接的过程,它只是简单地把数据丢到网络中,也不需要 ACK 包确认。

    UDP 传输数据就好像我们邮寄包裹,邮寄前需要填好寄件人和收件人地址,之后送到快递公司即可,但包裹是否正确送达、是否损坏我们无法得知,也无法保证。UDP 协议也是如此,它只管把数据包发送到网络,然后就不管了,如果数据丢失或损坏,发送端是无法知道的,当然也不会重发。

    既然如此,TCP 应该是更加优质的传输协议吧?

    如果只考虑可靠性,TCP 的确比 UDP 好。但 UDP 在结构上比 TCP 更加简洁,不会发送 ACK 的应答消息,也不会给数据包分配 Seq 序号,所以 UDP 的传输效率有时会比 TCP 高出很多,编程中实现 UDP 也比 TCP 简单。

    UDP 的可靠性虽然比不上TCP,但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁,在更加重视传输效率而非可靠性的情况下,UDP 是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信,就非常适合采用 UDP 协议;通信时数据必须高效传输才不会产生“卡顿”现象,用户体验才更加流畅,如果丢失几个数据包,视频画面可能会出现“雪花”,音频可能会夹带一些杂音,这些都是无妨的。

    与 UDP 相比,TCP 的生命在于流控制,这保证了数据传输的正确性。

    最后需要说明的是:TCP 的速度无法超越 UDP,但在收发某些类型的数据时有可能接近 UDP。例如,每次交换的数据量越大,TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

    基于UDP的服务器端和客户端

    已剪辑自: http://c.biancheng.net/view/2359.html

    前面的文章中我们给出了几个 TCP 的例子,对于 UDP 而言,只要能理解前面的内容,实现并非难事。

    UDP中的服务器端和客户端没有连接

    UDP 不像 TCP,无需在连接状态下交换数据,因此基于 UDP 的服务器端和客户端也无需经过连接过程。也就是说,不必调用 listen() 和 accept() 函数。UDP 中只有创建套接字的过程和数据交换的过程。

    UDP服务器端和客户端均只需1个套接字

    TCP 中,套接字是一对一的关系。如要向 10 个客户端提供服务,那么除了负责监听的套接字外,还需要创建 10 套接字。但在 UDP 中,不管是服务器端还是客户端都只需要 1 个套接字。之前解释 UDP 原理的时候举了邮寄包裹的例子,负责邮寄包裹的快递公司可以比喻为 UDP 套接字,只要有 1 个快递公司,就可以通过它向任意地址邮寄包裹。同样,只需 1 个 UDP 套接字就可以向任意主机传送数据。

    基于UDP的接收和发送函数

    创建好 TCP 套接字后,传输数据时无需再添加地址信息,因为 TCP 套接字将保持与对方套接字的连接。换言之,TCP 套接字知道目标地址信息。但 UDP 套接字不会保持连接状态,每次传输数据都要添加目标地址信息,这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。

    发送数据使用 sendto() 函数:

    ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);  //Linux
    int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);  //Windows
    
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    Linux 和 Windows 下的 sendto() 函数类似,下面是详细参数说明:

    • sock:用于传输 UDP 数据的套接字;
    • buf:保存待传输数据的缓冲区地址;
    • nbytes:带传输数据的长度(以字节计);
    • flags:可选项参数,若没有可传递 0;
    • to:存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址;
    • addrlen:传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。

    UDP 发送函数 sendto() 与TCP发送函数 write()/send() 的最大区别在于,sendto() 函数需要向他传递目标地址信息。

    接收数据使用 recvfrom() 函数:

    ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);  //Linux
    int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);  //Windows
    
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    由于 UDP 数据的发送端不定,所以 recvfrom() 函数定义为可接收发送端信息的形式,具体参数如下:

    • sock:用于接收 UDP 数据的套接字;
    • buf:保存接收数据的缓冲区地址;
    • nbytes:可接收的最大字节数(不能超过 buf 缓冲区的大小);
    • flags:可选项参数,若没有可传递 0;
    • from:存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址;
    • addrlen:保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。

    基于UDP的回声服务器端/客户端

    下面结合之前的内容实现回声客户端。需要注意的是,UDP 不同于 TCP,不存在请求连接和受理过程,因此在某种意义上无法明确区分服务器端和客户端,只是因为其提供服务而称为服务器端,希望各位读者不要误解。

    下面给出 Windows 下的代码,Linux 与此类似,不再赘述。

    服务器端 server.cpp:

    #include 
    #include 
    #pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
    #define BUF_SIZE 100
    int main(){
        WSADATA wsaData;
        WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
        //创建套接字
        SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        //绑定套接字
        struct sockaddr_in servAddr;
        memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
        servAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
        servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //自动获取IP地址
        servAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
        bind(sock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(SOCKADDR));
        //接收客户端请求
        SOCKADDR clntAddr;  //客户端地址信息
        int nSize = sizeof(SOCKADDR);
        char buffer[BUF_SIZE];  //缓冲区
        while(1){
            int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &clntAddr, &nSize);
            sendto(sock, buffer, strLen, 0, &clntAddr, nSize);
        }
        closesocket(sock);
        WSACleanup();
        return 0;
    }
    
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    代码说明:

    1. 第 12 行代码在创建套接字时,向 socket() 第二个参数传递 SOCK_DGRAM,以指明使用 UDP 协议。

    2. 第 18 行代码中使用htonl(INADDR_ANY)来自动获取 IP 地址。

    利用常数 INADDR_ANY 自动获取 IP 地址有一个明显的好处,就是当软件安装到其他服务器或者服务器 IP 地址改变时,不用再更改源码重新编译,也不用在启动软件时手动输入。而且,如果一台计算机中已分配多个 IP 地址(例如路由器),那么只要端口号一致,就可以从不同的 IP 地址接收数据。所以,服务器中优先考虑使用 INADDR_ANY;而客户端中除非带有一部分服务器功能,否则不会采用。

    客户端 client.cpp:

    #include 
    #include 
    #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
    #define BUF_SIZE 100
    int main(){
        //初始化DLL
        WSADATA wsaData;
        WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
        //创建套接字
        SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        //服务器地址信息
        struct sockaddr_in servAddr;
        memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
        servAddr.sin_family = PF_INET;
        servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
        servAddr.sin_port = htons(1234);
        //不断获取用户输入并发送给服务器,然后接受服务器数据
        struct sockaddr fromAddr;
        int addrLen = sizeof(fromAddr);
        while(1){
            char buffer[BUF_SIZE] = {0};
            printf("Input a string: ");
            gets(buffer);
            sendto(sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr));
            int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &fromAddr, &addrLen);
            buffer[strLen] = 0;
            printf("Message form server: %s\n", buffer);
        }
        closesocket(sock);
        WSACleanup();
        return 0;
    }
    
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    先运行 server,再运行 client,client 输出结果为:

    Input a string: C语言中文网
    Message form server: C语言中文网
    Input a string: c.biancheng.net Founded in 2012
    Message form server: c.biancheng.net Founded in 2012
    Input a string:

    从代码中可以看出,server.cpp 中没有使用 listen() 函数,client.cpp 中也没有使用 connect() 函数,因为 UDP 不需要连接。

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