12.可连接的UDP

从一个例子开始

在这个例子中，客户端在 UDP 套接字上调用 connect 函数，之后将标准输入的字符串发送到服务器，并从服务器接收处理后的报文。当然，和服务器发送和接收报文是通过调用函数 sendto 和 recvfrom 来完成的。

#include "common.h"

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: udpclient1 <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);
    // 调用 connect 将 UDP 套接字和 IPv4 地址进行了“绑定”，这里 connect 函数的名称有点让人误解，其实可能更好的选择是叫做 setpeername；
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    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) {
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }

        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "sendto failed");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        len = 0;
        recv_line[0] = 0;
        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);
}

在没有开启服务端的情况下，我们运行一下这个程序：

$ ./udpconnectclient 127.0.0.1
g1	
now sending g1
send bytes: 2
	
recvfrom failed: Connection refused (111)

不是说好 UDP 是“无连接”的协议吗？不是说好 UDP 客户端只会阻塞在 recvfrom 这样的调用上吗？怎么这里冒出一个“Connection refused”的错误呢？

别着急，下面就跟着我的思路慢慢去解开这个谜团。

UDP connect 的作用

和 TCP connect 调用引起 TCP 三次握手，建立 TCP 有效连接不同，UDP connect 函数的调用，并不会引起和服务器的网络交互，即并不会触发所谓的”握手“报文发送和应答。

那么对 UDP 套接字进行 connect 操作到底有什么意义呢？

其实上面的例子已经给出了答案，这主要是为了让应用程序能够接收”异步错误“的信息。

回想之前不调用 connect 操作的客户端程序，在服务器不开启的情况下，客户端程序只会阻塞在 recvfrom 上，等待返回（或者超时）。

通过 connect 操作，将 UDP 套接字建立了”上下文“，该套接字和服务器的地址和端口产生了联系，正是这种绑定关系给了内核必要的信息，能够将内核收到的信息和对应的套接字进行关联。

我们可以展开讨论一下。

调用 sendto 或者 send 操作函数时，应用程序报文被发送，应用程序返回，内核接管报文，之后操作系统开始尝试往对应的地址和端口发送，因为对应的地址和端口不可达，一个 ICMP 报文会返回给内核，该 ICMP 报文含有目的地址和端口等信息。

如果不进行 connect 操作，建立（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之间的映射关系，内核就没有办法把 ICMP 不可达的信息和 UDP 套接字进行关联，也就没有办法将 ICMP 信息通知给应用程序。

如果我们进行了 connect 操作，帮助内核从容建立了（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之间的映射关系，当收到 ICMP 不可达报文时，内核可以从映射表中找出是哪个 UDP 套接字拥有该目的地址和端口，套接字在操作系统内部是全局唯一的，当我们在该套接字上再次调用 recvfrom 或 recv 方法时，就可以收到内核返回的”Connection Refused“的信息。

收发函数

在对 UDP 进行 connect 之后，关于收发函数的使用，很多书籍是这样推荐的：

• 使用 send 或 write 函数来发送，如果使用 sendto 需要把相关的 to 地址信息置零；
• 使用 recv 或 read 函数来接收，如果使用 recvfrom 需要把对应的 from 地址信息置零。

其实不同的 UNIX 实现对此表现出来的行为不尽相同。

有的环境使用 sendto 和 recvfrom，系统会自动忽略 to 和 from 信息。而另一些确实需要遵守这样的规定，使用 sendto 或 recvfrom 会得到一些奇怪的结果，切回 send 和 recv 后正常。

考虑到兼容性，我们也推荐这些常规做法。所以在接下来的程序中，我会使用这样的做法来实现。

服务器端 connect 的例子

一般来说服务器不会主动发起 connect 操作，一旦如此服务器就只能响应一个客户端。不过有时也不排除这样的情形，一旦一个客户端和服务器发送 UDP 报文之后，该服务器端就要服务于这个唯一的客户端。

一个类似的服务器程序如下：

#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];
    message[0] = 0;
    count = 0;

    signal(SIGINT, recvfrom_int);

    struct sockaddr_in client_addr;
    client_len = sizeof(client_addr);
    // 等待客户端报文到达，并将客户端信息保持到 client_addr 中；
    int n = recvfrom(socket_fd, message, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
    if (n < 0) {
        error(1, errno, "recvfrom failed");
    }
    message[n] = 0;
    printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
    // 将 UDP 套接字和客户端 client_addr 进行绑定，
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &client_addr, client_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    while (strncmp(message, "goodbye", 7) != 0) {
        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", message);

        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        size_t rc = recv(socket_fd, message, MAXLINE, 0);
        if (rc < 0) {
            error(1, errno, "recv failed");
        }

        count++;
    }

    exit(0);
}

注意这里所有收发函数都使用了 send 和 recv，即只和我们的客户端互动。

接下来我们实现一个 connect 的客户端程序：

#include "common.h"

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

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: udpclient2 <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);

    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

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

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }

        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        recv_line[0] = 0;
        n = recv(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recv failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }

    exit(0);
}

先启动服务器程序，然后依次开启两个客户端，分别是客户端 1、客户端 2，并且让客户端 1 先发送 UDP 报文。 服务器端：

$ ./udpconnectserver
received 2 bytes: g1	
send bytes: 6

客户端 1：

 ./udpconnectclient2 127.0.0.1	
g1	
now sending g1	
send bytes: 2	
Hi, g1

客户端 2：

./udpconnectclient2 127.0.0.1	
g2	
now sending g2	
send bytes: 2	
recv failed: Connection refused (111)

客户端 1 先发送报文，服务端随之通过 connect 和客户端 1 进行了“绑定”，这样，客户端 2 从内核得到了 ICMP 的错误，该错误在 recv 函数中返回，显示了“Connection refused”的错误信息。

性能考虑

一般来说，客户端通过 connect 绑定服务端的地址和端口，对 UDP 而言，可以有一定程度的性能提升。

这是为什么呢？

因为如果不使用 connect 方式，每次发送报文都会需要这样的过程：

连接套接字→发送报文→断开套接字→连接套接字→发送报文→断开套接字 →………

而如果使用 connect 方式，就会变成下面这样：

连接套接字→发送报文→发送报文→……→最后断开套接字

我们知道，连接套接字是需要一定开销的，比如需要查找路由表信息。所以，UDP 客户端程序通过 connect 可以获得一定的性能提升。