《TCP IP网络编程》第六章

《TCP IP网络编程》第六章：基于 UDP 的服务端/客户端

UDP 套接字的特点：

        通过寄信来说明 UDP 的工作原理，这是讲解 UDP 时使用的传统示例，它与 UDP 的特点完全相同。寄信前应先在信封上填好寄信人和收信人的地址，之后贴上邮票放进邮筒即可。当然，信件的特点使我们无法确认信件是否被收到。邮寄过程中也可能发生信件丢失的情况。也就是说，信件是一种不可靠的传输方式，UDP 也是一种不可靠的数据传输方式。

        不过，这种比喻只是形容协议工作方式，并不包含数据交换速率。实际正好相反，TCP的速度无法超过UDP，但在收发某些类型的数据时可能接近UDP。

        因为 UDP 没有 TCP 那么复杂，所以编程难度比较小，性能也比 TCP 高。在更重视性能的情况下可以选择 UDP 的传输方式。

        TCP 与 UDP 的区别很大一部分来源于流控制。也就是说 TCP 的生命在于流控制。

 UDP 的工作原理：

        从图中可以看出，IP 的作用就是让离开主机 B 的 UDP 数据包准确传递到主机 A 。但是把 UDP 数据包最终交给主机 A 的某一 UDP 套接字的过程是由 UDP 完成的。UDP 的最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的 UDP 套接字。 

UDP 的高效使用：

        UDP 也具有一定的可靠性。对于通过网络实时传递的视频或者音频时情况有所不同。对于多媒体数据而言，丢失一部分数据也没有太大问题，这只是会暂时引起画面抖动，或者出现细微的杂音。但是要提供实时服务，速度就成为了一个很重要的因素。因此流控制就显得有一点多余，这时就要考虑使用 UDP 。TCP 比 UDP 慢的原因主要有以下两点：

• 收发数据前后进行的连接设置及清除过程。
• 收发过程中为保证可靠性而添加的流控制。

        如果收发的数据量小但是需要频繁连接时，UDP 比 TCP 更高效。

实现基于 UDP 的服务端/客户端：

        UDP 中的服务端和客户端不像 TCP 那样在连接状态下交换数据，因此与 TCP 不同，无需经过连接过程。也就是说，不必调用 TCP 连接过程中调用的 listen 和 accept 函数。UDP 中只有创建套接字和数据交换的过程。

        TCP 中，套接字之间应该是一对一的关系。若要向 10 个客户端提供服务，除了守门的服务器套接字之外，还需要 10 个服务器套接字。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。只需要一个 UDP 套接字就可以向任意主机传输数据，如图所示：

        图中展示了 1 个 UDP 套接字与 2 个不同主机交换数据的过程。也就是说，只需 1 个 UDP 套接字就能和多台主机进行通信。

        创建好 TCP 套接字以后，传输数据时无需加上地址信息。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（UDP 套接字只有简单的邮筒功能），因此每次传输数据时都需要添加目标的地址信息。这相当于寄信前在信件中填写地址。接下来是 UDP 的相关函数： 

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
               struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
/*
成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
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
*/

        上述函数与之前的 TCP 输出函数最大的区别在于，此函数需要向它传递目标地址信息。接下来介绍接收 UDP 数据的函数。UDP 数据的发送并不固定，因此该函数定义为可接受发送端信息的形式，也就是将同时返回 UDP 数据包中的发送端信息。

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
                 struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);
/*
成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
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。
*/

        编写 UDP 程序的最核心的部分就在于上述两个函数。

实验： UDP 的回声服务器端/客户端：

服务端：

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t clnt_adr_sz;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    //创建 UDP 套接字后，向 socket 的第二个参数传递 SOCK_DGRAM
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("UDP socket creation eerror");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    //分配地址接受数据，不限制数据传输对象
    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    while (1)
    {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        str_len = recvfrom(serv_sock, message, BUF_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        //通过上面的函数调用同时获取数据传输端的地址。正是利用该地址进行逆向重传
        sendto(serv_sock, message, str_len, 0,
               (struct sockaddr *)&clnt_adr, clnt_adr_sz);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

客户端：

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    socklen_t adr_sz;

    struct sockaddr_in serv_adr, from_adr;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    //创建 UDP 套接字
    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    while (1)
    {
        fputs("Insert message(q to quit): ", stdout);
        fgets(message, sizeof(message), stdin);
        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;
        //向服务器传输数据,会自动给自己分配IP地址和端口号
        sendto(sock, message, strlen(message), 0,
               (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
        adr_sz = sizeof(from_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr *)&from_adr, &adr_sz);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

实验结果：

 UDP 客户端套接字的地址分配 ：

        UDP 客户端缺少了把IP和端口分配给套接字的过程。TCP 客户端调用 connect 函数自动完成此过程，而 UDP 中连能承担相同功能的函数调用语句都没有。究竟在什么时候分配IP和端口号呢？

        UDP 程序中，调用 sendto 函数传输数据前应该完成对套接字的地址分配工作，因此调用 bind 函数。当然，bind 函数在 TCP 程序中出现过，但 bind 函数不区分 TCP 和 UDP，也就是说，在 UDP 程序中同样可以调用。另外，如果调用 sendto 函数尚未分配地址信息，则在首次调用 sendto 函数时给相应套接字自动分配 IP 和端口。而且此时分配的地址一直保留到程序结束为止，因此也可以用来和其他 UDP 套接字进行数据交换。当然，IP 用主机IP，端口号用未选用的任意端口号。

综上所述，调用 sendto 函数时自动分配IP和端口号，因此，UDP 客户端中通常无需额外的地址分配过程。所以之前的示例中省略了该过程。这也是普遍的实现方式。

UDP 的数据传输特性和调用 connect 函数：

        前面说得 TCP 数据传输中不存在数据边界，这表示「数据传输过程中调用 I/O 函数的次数不具有任何意义」

        相反，UDP 是具有数据边界的下一，传输中调用 I/O 函数的次数非常重要。因此，输入函数的调用次数和输出函数的调用次数应该完全一致，这样才能保证接收全部已经发送的数据。例如，调用 3 次输出函数发送的数据必须通过调用 3 次输入函数才能接收完。通过一个例子来进行验证：

服务端代码 ：

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in my_adr, your_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&my_adr, 0, sizeof(my_adr));
    my_adr.sin_family = AF_INET;
    my_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    my_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&my_adr, sizeof(my_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    for (i = 0; i < 3; i++)
    {
        sleep(5);
        adr_sz = sizeof(your_adr);
        str_len = recvfrom(sock, message, BUF_SIZE, 0,
                           (struct sockaddr *)&your_adr, &adr_sz);
        printf("Message %d: %s \n", i + 1, message);
    }
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

客户端代码： 

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char msg1[] = "Hi!";
    char msg2[] = "I'm another UDP host!";
    char msg3[] = "Nice to meet you";

    struct sockaddr_in your_adr;
    socklen_t your_adr_sz;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");
    memset(&your_adr, 0, sizeof(your_adr));
    your_adr.sin_family = AF_INET;
    your_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    your_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    sendto(sock, msg1, sizeof(msg1), 0,
           (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));
    sendto(sock, msg2, sizeof(msg2), 0,
           (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));
    sendto(sock, msg3, sizeof(msg3), 0,
           (struct sockaddr *)&your_adr, sizeof(your_adr));
    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

        客户端调用3次sendto函数以传输数据，服务端则调用了3次recvfrom函数以接受数据。recvfrom函数调用间隔为5秒，因此，调用recvfrom函数前已调用了3次sendto函数。也就是说，此时数据已经传输到bound_host1.c。如果是TCP程序，这时只需调用1次输入函数即可读入数据。UDP则不同，在这种情况下也需要调用3次recvfrom函数。可通过以下运行结果进行验证。

        从服务端结果可以看出，共调用了3次recvfrom函数，这就证明了必须在UDP通信过程中使I/O函数调用次数保持一致。

已连接（connect）UDP 套接字与未连接（unconnected）UDP 套接字 ：    

        TCP 套接字中需注册待传传输数据的目标IP和端口号，而在 UDP 中无需注册。因此通过 sendto 函数传输数据的过程大概可以分为以下 3 个阶段：

• 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。

        每次调用 sendto 函数时重复上述过程。每次都变更目标地址，因此可以重复利用同一 UDP 套接字向不同目标传递数据。这种未注册目标地址信息的套接字称为未连接套接字，反之，注册了目标地址的套接字称为连接 connected 套接字。显然，UDP 套接字默认属于未连接套接字。当一台主机向另一台主机传输很多信息时，上述的三个阶段中，第一个阶段和第三个阶段占整个通信过程中近三分之一的时间，缩短这部分的时间将会大大提高整体性能。

        创建已连接 UDP 套接字过程格外简单，只需针对 UDP 套接字调用 connect 函数：

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));

        上述代码看似与 TCP 套接字创建过程一致，但 socket 函数的第二个参数分明是 SOCK_DGRAM 。也就是说，创建的的确是 UDP 套接字。当然针对 UDP 调用 connect 函数并不是意味着要与对方 UDP 套接字连接，这只是向 UDP 套接字注册目标IP和端口信息。

        之后就与 TCP 套接字一致，每次调用 sendto 函数时只需传递信息数据。因为已经指定了收发对象，所以不仅可以使用 sendto、recvfrom 函数，还可以使用 write、read 函数进行通信。

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习题：

1、UDP 为什么比 TCP 快？为什么 TCP 传输可靠而 UDP 传输不可靠？

        UDP比TCP快的原因是UDP没有建立连接和拥塞控制的开销，并且没有重传机制。TCP传输可靠的原因是TCP通过建立连接、序号管理和重传机制来确保数据的可靠传输和完整性。

2、UDP 数据报向对方主机的 UDP 套接字传递过程中，IP 和 UDP 分别负责哪些部分？

        IP的作用就是让离开主机的 UDP 数据包准确传递到另一个主机。但把 UDP 包最终交给主机的某一 UDP 套接字的过程则是由 UDP 完成的。UDP 的最重要的作用就是根据端口号将传到主机的数据包交付给最终的 UDP 套接字。

3、UDP 一般比 TCP 快，但根据交换数据的特点，其差异可大可小。请你说明何种情况下 UDP 的性能优于 TCP？

        如果收发数据量小但需要频繁连接时，UDP 比 TCP 更高效。

4、客户端 TCP 套接字调用 connect 函数时自动分配IP和端口号。UDP 中不调用 bind 函数，那何时分配IP和端口号？

        在首次调用 sendto 函数时自动给相应的套接字分配IP和端口号。而且此时分配的地址一直保留到程序结束为止。这种临时分配的机制使得UDP套接字可以在不调用bind函数的情况下进行通信。UDP套接字的地址和端口号分配由操作系统自动完成，无需用户显式指定。这也是UDP相比TCP更加灵活和简单的一点。

5、TCP 客户端必须调用 connect 函数，而 UDP 可以选择性调用。请问，在 UDP 中调用 connect 函数有哪些好处？

        UDP通过 sendto 函数传输数据的过程大概可以分为以下 3 个阶段：

• 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。

当一台主机向另一台主机传输很多信息时，上述的三个阶段中，第一个阶段和第三个阶段占整个通信过程中近三分之一的时间，使用connect函数可以节省这些时间。