5.UDP

TCP 是一个面向连接的协议，在 IP 报文的基础上，增加了诸如重传、确认、有序传输、拥塞控制等能力，通信的双方是在一个确定的上下文中工作的。

而 UDP 没有这样的上下文，它是一个不可靠的通信协议，没有重传和确认，没有有序控制，也没有拥塞控制。我们可以简单地理解为，在 IP 报文的基础上，UDP 增加的能力有限。

UDP 不保证报文的有效传递，不保证报文的有序，使用 UDP 时，我们需要做好丢包、重传、报文组装等工作。

既然如此，为什么我们还要使用 UDP 协议呢？

因为 UDP 简单，我们常见的 DNS 服务，SNMP 服务都是基于 UDP 协议的，这些场景对时延、丢包都不是特别敏感。另外多人通信的场景，如聊天室、多人游戏等，也都会使用到 UDP 协议。

UDP 编程

服务器创建 UDP 套接字后绑定到本地端口，调用 recvfrom 函数等待客户端的报文发送；客户端创建套接字后，调用 sendto 函数往目标地址和端口发送 UDP 报文，然后客户端和服务器端进入互相应答过程。

recvfrom 和 sendto 是 UDP 用来接收和发送报文的两个主要函数：

#include <sys/socket.h>
 
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags, 
　　　　　　　　　　struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen); 
 
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
                const struct sockaddr *to, socklen_t *addrlen); 

recvfrom 函数。

sockfd 是本地创建的套接字描述符，buff 指向本地的缓存，nbytes 表示最大接收数据字节。

flags 是和 I/O 相关的参数，这里用不到，设置为 0。

from 和 addrlen，实际上是返回对端发送方的地址和端口等信息，和 TCP 不一样，TCP 是通过 accept 函数拿到的描述字信息来决定对端的信息。另外 UDP 报文每次接收都会获取对端的信息，即报文和报文之间没有上下文。

函数的返回值告诉我们实际接收的字节数。

sendto 函数。

sockfd 是本地创建的套接字描述符，buff 指向发送的缓存，nbytes 表示发送字节数。flags 依旧设置为 0。

后面两个参数 to 和 addrlen，表示发送的对端地址和端口等信息。

函数的返回值告诉我们实际接收的字节数。

我们知道， TCP 的发送和接收每次都是在一个上下文中，类似这样的过程：

A 连接上: 接收→发送→接收→发送→…

B 连接上: 接收→发送→接收→发送→ …

而 UDP 的每次接收和发送都是一个独立的上下文，类似这样：

接收 A→发送 A→接收 B→发送 B →接收 C→发送 C→ …

UDP 服务端例子

先在common.h里加上需要的

#include    <signal.h>
#define    SERV_PORT      43211
#define    MAXLINE        4096

# include "common.h"

static int count;
static void recvfrom_int(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}


int main(int argc, char **argv) {
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));

    socklen_t client_len;
    char message[MAXLINE];
    count = 0;
    //为该服务器创建一个信号处理函数，以便在响应“Ctrl+C”退出时，打印出收到的报文总数。
    signal(SIGINT, recvfrom_int);

    struct sockaddr_in client_addr;
    client_len = sizeof(client_addr);
    for (;;) {
        int n = recvfrom(socket_fd, message, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
        message[n] = 0;
        printf("received %d bytes: %s\n", n, message);

        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", message); // 收到信息后在开头加上“Hi”再传回去

        sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) &client_addr, client_len);

        count++;
    }
}

UDP 客户端例子

#include "common.h"


# define    NDG         2000    /* datagrams to send */
# define    DGLEN       1400    /* length of each datagram */
# define    MAXLINE     4096


int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: udpclient <IPaddress>");

    }
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);

    struct sockaddr *reply_addr;
    reply_addr = malloc(server_len);

    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    socklen_t len;
    int n;

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {//从标准输入中读取的字符进行处理后
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }

        printf("now sending %s\n", send_line);
        // 从标准输入中读取的字符进行处理后
        size_t rt = sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        len = 0;
        // 用 recvfrom 函数接收目标服务器发送过来的新报文
        n = recvfrom(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0, reply_addr, &len);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recvfrom failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }

    exit(0);
}

为了让你更好地理解 UDP 和 TCP 之间的差别，我们模拟一下 UDP 的三种运行场景

场景一：只运行客户端

如果我们只运行客户端，程序会一直阻塞在 recvfrom 上。

如果不开启服务端，TCP 客户端的 connect 函数会直接返回“Connection refused”报错信息。而在 UDP 程序里，则会一直阻塞在这里。

场景二：先开启服务端，再开启客户端

场景三: 关闭服务端再重新开始

服务器重启后可以继续收到客户端的报文，这在 TCP 里是不可以的，TCP 断联后必须重新连接才可以发送报文信息。但是 UDP 报文的”无连接“的特点，可以在 UDP 服务器重启之后，继续进行报文的发送，这就是 UDP 报文“无上下文”的最好说明。