UDP协议详解

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一、UDP概述

  UDP 是 User Datagram Protocol 的简称， 中文名是用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的传输层协议，在网络中用于处理数据包，是一种无连接的协议。UDP 不提供可靠性的传输，它只是把应用程序传给 IP 层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

【UDP的特点】：

• 每个分组都携带完整的目的地址；

• 发送数据之前不需要建立链接；

• 不对数据包的顺序进行检查，不能保证分组的先后顺序；

• 不进行分组出错的恢复和重传；

• 不保证数据传输的可靠性。

  在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP 协议数据包丢失会比较严重。但是由于 UDP 的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用 UDP 较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的 ICQ 和 QQ 就是使用的 UDP。

【使用UDP网络发送数据注意事项】：

• 前提：必须要保证他们在同一个局域网中，要在一个网段才行，跨网就不能直接通讯；
• 虚拟机改成桥接模式就和windows网段一样了；
• 互相ping通。

二、UDP编程框架

  UDP通信的流程比较简单，因此要搭建这么一个常用的UDP通信框架也是比较简单的。以下是UDP的框架图。

  由以上框图可以看出，客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。

三、UDP程序设计常用函数

1、sendto()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, 
				int flags, const struct sockaddr *dest_addr, 
				socklen_t addrlen);

• 功能： 向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据，可以发送 0 长度的 UDP 数据包。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • buf：发送缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据；
  • len：发送缓冲区的大小，单位是字节；
  • flags：填0即可；
  • dest_addr：指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪个主机哪个进程；
  • addrlen：表示第五个参数所指向内容的长度；
• 返回值： 成功：返回发送成功的数据长度，失败： -1。

2、recvfrom()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, 
				int flags, struct sockaddr *src_addr, 
				socklen_t *addrlen);

• 功能： 接收 UDP 数据，并将源地址信息保存在 from 指向的结构中。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • buf：接收数据缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据；
  • len：接收缓冲区的大小，单位是字节；
  • flags：填0即可；
  • src_addr：指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以从该参数获取到数据是谁发出的；
  • addrlen：表示第五个参数所指向内容的长度；
• 返回值： 成功：返回接收成功的数据长度，失败： -1。

3、bind()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, 
		socklen_t addrlen);

• 功能： 将本地协议地址与 sockfd 绑定，这样 ip、port 就固定了。
• 参数：
  • sockfd：正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得；
  • my_addr：需要绑定的IP和端口；
  • addrlen：my_addr的结构体的大小；
• 返回值： 成功：0，失败： -1。

4、close()函数

#include <unistd.h>
int close(int fd);

  close函数比较简单，只要填入socket产生的fd即可。

四、UDP程序设计demo

【服务器】：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned short port = 48570;     // 本地端口
    if(argc > 1)
    {
        port = atoi(argv[1]);
    }

    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 创建套接字
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }
    
    // 本地网络地址
    struct sockaddr_in my_addr;
    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));   // 清空结构体内容
    my_addr.sin_family = AF_INET;   // ipv4
    my_addr.sin_port = htons(port);   // 端口转换
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定网卡所有ip地址，INADDR_ANY为通配地址，值为0
    
    printf("Binding server to port %d\n", port);
    int err_log;
    err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr)); // 绑定
    if(err_log != 0)
    {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(-1);
    }
    
    printf("receive data...\n");
    while(1)
    {
        int recv_len;
        char recv_buf[512] = "";
        struct sockaddr_in client_addr;
        char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; // INET_ADDRSTRLEN=16
        socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); 
        
        // 接受数据
        recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);
        printf("\nip:%s ,port:%d\n",cli_ip, ntohs(client_addr.sin_port));
        printf("data(%d):%s\n", recv_len, recv_buf);
    }
    
    close(sockfd);
    return 0;
}

【客户端】：

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

int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned short port = 8080; // 服务器端口
    char *server_ip = "192.168.202.1"; // 服务器ip地址
    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建套接字
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in dest_addr; // 初始化套接字
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    dest_addr.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET, server_ip, &dest_addr.sin_addr); // ip地址转换
    printf("send data to UDP server %s: %d\n", server_ip, port);
    while (1)
    {
        char send_buf[512];
        fgets(send_buf, sizeof(send_buf), stdin); // 从标准输入读数据
        send_buf[strlen(send_buf) - 1] = '\0'; // 以\0结尾
        // 发送数据
        int len = sendto(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
        printf("len = %d\n", len);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

五、UDP协议相关问题

1、UDP报文丢失问题

  因为UDP自身的特点，决定了UDP会相对于TCP存在一些难以解决的问题。第一个就是UDP报文缺失问题。在UDP服务器客户端的例子中，如果客户端发送的数据丢失，服务器会一直等待，直到客户端的合法数据过来。如果服务器的响应在中间被路由丢弃，则客户端会一直阻塞，直到服务器数据过来。

【问题解决方法】：

• 使用信号SIGALRM为recvfrom设置超时。首先我们为SIGALARM建立一个信号处理函数，并在每次调用前通过alarm设置一个5秒的超时。如果recvfrom被我们的信号处理函数中断了，那就超时重发信息；若正常读到数据了，就关闭报警时钟并继续进行下去；
• 使用select为recvfrom设置超时。

2、UDP报文乱序问题

  所谓乱序就是发送数据的顺序和接收数据的顺序不一致，例如发送数据的顺序为A、B、C，但是接收到的数据顺序却为：A、C、B。产生这个问题的原因在于，每个数据报走的路由并不一样，有的路由顺畅，有的却拥塞，这导致每个数据报到达目的地的顺序就不一样了。UDP协议并不保证数据报的按序接收。

【问题解决方法】：

  发送端在发送数据时加入数据报序号，这样接收端接收到报文后可以先检查数据报的序号，并将它们按序排队，形成有序的数据报。

3、UDP流量控制问题

  总所周知，TCP有滑动窗口进行流量控制和拥塞控制，反观UDP因为其特点无法做到。UDP接收数据时直接将数据放进缓冲区内，如果用户没有及时将缓冲区的内容复制出来放好的话，后面的到来的数据会接着往缓冲区放，当缓冲区满时，后来的到的数据就会覆盖先来的数据而造成数据丢失（因为内核使用的UDP缓冲区是环形缓冲区）。因此，一旦发送方在某个时间点爆发性发送消息，接收方将因为来不及接收而发生信息丢失。

【问题解决方法】：

  解决方法一般采用增大UDP缓冲区，使得接收方的接收能力大于发送方的发送能力。