第 6 章 基于 UDP 的服务端/客户端

TCP 是内容较多的一个协议，而本章中的 UDP 内容较少，但是也很重要。

6.1 理解 UDP

6.1.1 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。寄信前应现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。

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。

6.1.2 UDP 的工作原理

如图所示：

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。

6.1.3 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楚过程。
• 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。

6.2 实现基于 UDP 的服务端/客户端

6.2.1 UDP 中的服务端和客户端没有连接

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。

6.2.2 UDP 服务器和客户端均只需一个套接字

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，不管事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。

6.2.3 基于 UDP 的数据 I/O 函数

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：

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#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
               struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
/*
成功时返回传输的字节数，失败是返回 -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。

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#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
                 struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);
/*
成功时返回传输的字节数，失败是返回 -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，这也说明二者在 UDP 数据传输中的地位。

6.2.4 基于 UDP 的回声服务器端/客户端

下面是实现的基于 UDP 的回声服务器的服务器端和客户端：

代码：

• uecho_client.c
• uecho_server.c

编译运行：

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gcc uecho_client.c -o uclient
gcc uecho_server.c -o userver
./server 9190
./uclient 127.0.0.1 9190

结果：

TCP 客户端套接字在调用 connect 函数时自动分配IP地址和端口号，既然如此，UDP 客户端何时分配IP地址和端口号？

6.2.5 UDP 客户端套接字的地址分配

仔细观察 UDP 客户端可以发现，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 中连接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。

6.3 UDP 的数据传输特性和调用 connect 函数

6.3.1 存在数据边界的 UDP 套接字

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：

• bound_host1.c
• bound_host2.c

编译运行：

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gcc bound_host1.c -o host1
gcc bound_host2.c -o host2
./host1 9190
./host2 127.0.0.1 9190

运行结果：

host1 是服务端，host2 是客户端，host2 一次性把数据发给服务端后，结束程序。但是因为服务端每隔五秒才接收一次，所以服务端每隔五秒接收一次消息。

从运行结果也可以证明 UDP 通信过程中 I/O 的调用次数必须保持一致

6.3.2 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。

6.3.3 创建已连接 UDP 套接字

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。

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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。

下面的例子把之前的 uecho_client.c 程序改成了基于已连接 UDP 的套接字的程序，因此可以结合 uecho_server.c 程序运行。代码如下：

• uecho_con_client.c

编译运行过程与上面一样，故省略。

上面的代码中用 write、read 函数代替了 sendto、recvfrom 函数。

6.4 基于 Windows 的实现

暂略

6.5 习题

以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。

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

   答：为了提供可靠的数据传输服务，TCP 在不可靠的IP层进行流控制，而 UDP 缺少这种流控制。所以 UDP 是不可靠的连接。

2. 下面不属于 UDP 特点的是？

   下面加粗的代表此句话正确

   1. UDP 不同于 TCP ，不存在连接概念，所以不像 TCP 那样只能进行一对一的数据传输。
   2. 利用 UDP 传输数据时，如果有 2 个目标，则需要 2 个套接字。
   3. UDP 套接字中无法使用已分配给 TCP 的同一端口号
   4. UDP 套接字和 TCP 套接字可以共存。若需要，可以同时在同一主机进行 TCP 和 UDP 数据传输。
   5. 针对 UDP 函数也可以调用 connect 函数，此时 UDP 套接字跟 TCP 套接字相同，也需要经过 3 次握手阶段。

3. 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？

   答：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。

4. 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？

   答：如果收发数据量小但需要频繁连接时，UDP 比 TCP 更高效。

5. 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？

   答：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。

6. 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？

   答：要与同一个主机进行长时间通信时，将 UDP 套接字变成已连接套接字会提高效率。因为三个阶段中，第一个阶段和第三个阶段占用了一大部分时间，调用 connect 函数可以节省这些时间。

7.实现服务器端和客户端轮流收发消息（使用UDP），收发的消息均要输出到控制台。

代码：

• uchar_server.c
• uchar_client.c

结果就是和预期的一样！

最后修改于 2022-01-17