UDP通信机制详解

1. UDP通信流程

前面介绍了TCP，TCP是面向连接的、安全的、流式传输协议。UDP是面向无连接的、不安全的、报式传输协议。UDP通信流程如下：

• 服务器端：

• • 创建套接字 - socket

  • • 第二个参数使用SOCK_DGRAM，表示报式协议，即UDP。TCP使用的是SOCK_STREAM。

  • 绑定IP和端口：bind

  • • fd
    • struct sockaddr —— 服务器

  • 通信

    • 接收数据：recvfrom

      ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
      

      同accept的第2、3个参数使用方法相同。

      • sockfd：文件描述符
      • buf：接收数据缓冲区
      • len：buf的最大容量
      • flags：0
      • src_addr：另一端的IP和端口, 传出参数
      • addrlen：传入传出参数

    • 发送数据: sendto

      ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
      

      • sockfd：socket函数创建出来的
      • buf：存储发送的数据
      • len：发送的数据的长度，注意是发送数据的大小，而不是buf的大小 strlen()。
      • flags：0
      • dest_addr：另一端的IP和端口
      • addrlen：dest_addr长度

  • UDP服务器端：需要一个套接字, 通信

• 客户端:

• • 创建一个用于通信的套接字：socket

  • 通信

  • • 发送数据：sendto，如果发送的数据太大，sendto会调用失败，UDP报文的长度是有上限的。

    • • 需要先准备好一个结构体：struct sockaddr_in

      • • 存储服务器的IP和端口

    • 接收数据：recvform

• udp的数据是不安全的, 容易丢包

• • 丢包, 丢全部还一部分?

  • • 只能丢全部，不存在只丢一部分的情况

  • 优点: 效率高

UDP通信流程示意图如下

2. UDP客户端与服务端实现

server

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, const char* argv[])
{
    // 创建套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }
    
    // fd绑定本地的IP和端口
    struct sockaddr_in serv;
    memset(&serv, 0, sizeof(serv));
    serv.sin_family = AF_INET;
    serv.sin_port = htons(8765);
    serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&serv, sizeof(serv));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t cli_len = sizeof(client);
    // 通信
    char buf[1024] = {0};
    while(1)
    {
        int recvlen = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, 
                               (struct sockaddr*)&client, &cli_len);
        if(recvlen == -1)
        {
            perror("recvform error");
            exit(1);
        }
        
        printf("recv buf: %s\n", buf);
        char ip[64] = {0};
        printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",
        inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
        ntohs(client.sin_port));

        // 给客户端发送数据
        sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
    }
    
    close(fd);

    return 0;
}

client

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, const char* argv[])
{
    // create socket
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(fd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    // 初始化服务器的IP和端口
    struct sockaddr_in serv;
    memset(&serv, 0, sizeof(serv));
    serv.sin_family = AF_INET;
    serv.sin_port = htons(8765);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);
    //把点分十进制字符串 "127.0.0.1" 转成整形，并存到&serv.sin_addr.s_addr中

    // 通信
    while(1)
    {
        char buf[1024] = {0};
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        // 数据的发送 - server - IP port
        sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&serv, sizeof(serv));

        // 等待服务器发送数据过来
        recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL); 
        //服务器的IP和port已经在在初始化的时候知道了，传NULL即可
        printf("recv buf: %s\n", buf);
    }
    
    close(fd);

    return 0;
}

3. 心跳包

UDP是无连接的通信协议，那么如何去判断客户端和服务端是否处于连接状态呢？这就是心跳机制：

• 心跳机制

• • 不会携带大量的数据
  • 每隔一定时间 服务器 → 客户端 / 客户端→服务器 发送一个数据包

• 心跳包看成一个协议

• • 应用层协议

• 判断网络是否断开

• • 有多个连续的心跳包没收到或没有回复
  • 关闭通信的套接字

• 重连

• • 重新初始套接字
  • 继续发送心跳包

• 乒乓包

  • 比心跳包携带的数据多一些
  • 除了知道连接是否存在，还能获取一些信息

如何理解心跳包呢——比如说，坐火车过隧道的时候，微信会提示服务器已断开连接，通过隧道后，微信会自己连上服务器。微信是如何知道和服务器断开连接了呢？就是通过心跳包机制。

比如，提前约定好，每隔多少秒客服端向服务器发1，如果服务器收到1，则回复客户端2，客户端收到2再发1，如此循环。如果客户端发送完1没有收到服务器回复的2，那么客户端将会再次发送1，测试几次如果依然没有回复，那么客户端会提示“服务器已断开连接”。

心跳包只能判断有没有连接，而乒乓包可以携带一些数据。

乒乓包——比如微信，如果有人给你发消息，或者有人发布朋友圈，给你点赞，都会有一个小红点提示，那么你的手机微信是怎么知道有人给你点赞，有人发朋友圈的呢？就是通过乒乓包不停的去询问。但是乒乓包也不是能携带所有数据，我们看到小红点，得点进去，然后手机客户端向服务器请求数据才能看到具体发了啥内容，评论了啥内容。心跳包只能判断是否连接，乒乓包可以携带少量提示信息。

4. TCP/UDP应用场景

• TCP使用场景

• • 对数据安全性要求高的时候

  • • 登录数据的传输 —— 比如用户名密码
    • 文件传输

  • HTTP协议

  • • 传输层协议 —— TCP

• UDP使用场景

• • 效率高 —— 实时性要求比较高

  • • 视频聊天、直播
    • 通话

  • 有实力的大公司

  • • 使用UDP
    • 在应用层自定义协议来做数据校验，既保证了传输效率，又保证了不丢数据。