Socket：UDP协议小白
UDP（user datagram protocol）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，屬于傳輸層。
首先要搞清楚網(wǎng)絡(luò)通信的幾個層次：
OSI 是 Open System Interconnection 的縮寫，譯為“開放式系統(tǒng)互聯(lián)”。
OSI 模型把網(wǎng)絡(luò)通信的工作分為 7 層，從下到上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。
OSI 只是存在于概念和理論上的一種模型，它的缺點是分層太多，增加了網(wǎng)絡(luò)工作的復(fù)雜性，所以沒有大規(guī)模應(yīng)用。后來人們對 OSI 進(jìn)行了簡化，合并了一些層，最終只保留了 4 層，從下到上分別是接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，這就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型。
我們平常使用的程序（或者說軟件）一般都是通過應(yīng)用層來訪問網(wǎng)絡(luò)的，程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會一層一層地往下傳輸，直到最后的網(wǎng)絡(luò)接口層，就通過網(wǎng)線發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上去了。數(shù)據(jù)每往下走一層，就會被這一層的協(xié)議增加一層包裝，等到發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上時，已經(jīng)比原始數(shù)據(jù)多了四層包裝。整個數(shù)據(jù)封裝的過程就像俄羅斯套娃。
當(dāng)另一臺計算機接收到數(shù)據(jù)包時，會從網(wǎng)絡(luò)接口層再一層一層往上傳輸，每傳輸一層就拆開一層包裝，直到最后的應(yīng)用層，就得到了最原始的數(shù)據(jù)，這才是程序要使用的數(shù)據(jù)。
給數(shù)據(jù)加包裝的過程，實際上就是在數(shù)據(jù)的頭部增加一個標(biāo)志（一個數(shù)據(jù)塊），表示數(shù)據(jù)經(jīng)過了這一層，我已經(jīng)處理過了。給數(shù)據(jù)拆包裝的過程正好相反，就是去掉數(shù)據(jù)頭部的標(biāo)志，讓它逐漸現(xiàn)出原形。
我們所說的 socket 編程，是站在傳輸層的基礎(chǔ)上，所以可以使用 TCP/UDP 協(xié)議，但是不能干「訪問網(wǎng)頁」這樣的事情，因為訪問網(wǎng)頁所需要的 http 協(xié)議位于應(yīng)用層。
兩臺計算機進(jìn)行通信時，必須遵守以下原則：
- 必須是同一層次進(jìn)行通信，比如，A 計算機的應(yīng)用層和 B 計算機的傳輸層就不能通信，因為它們不在一個層次，數(shù)據(jù)的拆包會遇到問題。
- 每一層的功能都必須相同，也就是擁有完全相同的網(wǎng)絡(luò)模型。如果網(wǎng)絡(luò)模型都不同，那不就亂套了，誰都不認(rèn)識誰。
- 數(shù)據(jù)只能逐層傳輸，不能躍層。
- 每一層可以使用下層提供的服務(wù)，并向上層提供服務(wù)。
TCP/IP 模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百個互為關(guān)聯(lián)的協(xié)議，其中 TCP 和 IP 是最常用的兩種底層協(xié)議，所以把它們統(tǒng)稱為“TCP/IP 協(xié)議族”。
也就是說，“TCP/IP模型”中所涉及到的協(xié)議稱為“TCP/IP協(xié)議族”。
個人學(xué)習(xí)的socket 編程是基于 TCP 和 UDP 協(xié)議的，它們的層級關(guān)系如下圖所示：
UDP是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接把數(shù)據(jù)報發(fā)給對方。UDP無需建立類如三次握手的連接，使得通信效率很高。因此UDP適用于一次傳輸數(shù)據(jù)量很少、對可靠性要求不高的或?qū)崟r性要求高的應(yīng)用場景。
服務(wù)端：
（1）使用函數(shù)socket()，生成套接字文件描述符；
（2）通過struct?sockaddr_in 結(jié)構(gòu)設(shè)置服務(wù)器地址和監(jiān)聽端口；
（3）使用bind() 函數(shù)綁定監(jiān)聽端口，將套接字文件描述符和地址類型變量（struct?sockaddr_in?）進(jìn)行綁定；
（4）接收客戶端的數(shù)據(jù)，使用recvfrom() 函數(shù)接收客戶端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；
（5）向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，使用sendto() 函數(shù)向服務(wù)器主機發(fā)送數(shù)據(jù)；
（6）關(guān)閉套接字，使用close() 函數(shù)釋放資源；
客戶端：
（1）使用socket()，生成套接字文件描述符；
（2）通過struct?sockaddr_in 結(jié)構(gòu)設(shè)置服務(wù)器地址和監(jiān)聽端口；
（3）向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，sendto() ；
（4）接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，recvfrom() ；
（5）關(guān)閉套接字，close() ；
（1）socket()函數(shù)解讀:生成套接字文件描述符
socket() 函數(shù)用來創(chuàng)建套接字，確定套接字的各種屬性，然后服務(wù)器端要用 bind() 函數(shù)將套接字與特定的 IP 地址和端口綁定起來，只有這樣，流經(jīng)該 IP 地址和端口的數(shù)據(jù)才能交給套接字處理。類似地，客戶端也要用 connect() 函數(shù)建立連接。
int socket(int af, int type, int protocol);//Linux下//在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 頭文件中 socket() 函數(shù)來創(chuàng)建套接字
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);//windows下
//兩者除了返回值類型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作為普通文件對待，而是返回 SOCKET 類型的句柄。請看下面的例子：
SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //創(chuàng)建TCP套接字1) af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址類型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的簡寫，INET是“Inetnet”的簡寫。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如?1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
2) type 為數(shù)據(jù)傳輸方式/套接字類型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向連接的套接字）?和?SOCK_DGRAM（數(shù)據(jù)報套接字/無連接的套接字）
3) protocol 表示傳輸協(xié)議，常用的有?IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分別表示 TCP 傳輸協(xié)議和 UDP 傳輸協(xié)議。
有了地址類型和數(shù)據(jù)傳輸方式，還不足以決定采用哪種協(xié)議嗎？為什么還需要第三個參數(shù)呢？（因為有時TCP和UDP同時滿足兩種情況，這時候就不知道用哪種了。）
正如大家所想，一般情況下有了 af 和 type 兩個參數(shù)就可以創(chuàng)建套接字了，操作系統(tǒng)會自動推演出協(xié)議類型，除非遇到這樣的情況：有兩種不同的協(xié)議支持同一種地址類型和數(shù)據(jù)傳輸類型。如果我們不指明使用哪種協(xié)議，操作系統(tǒng)是沒辦法自動推演的。
本教程使用 IPv4 地址，參數(shù) af 的值為 PF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 傳輸數(shù)據(jù)，那么滿足這兩個條件的協(xié)議只有 TCP，因此可以這樣來調(diào)用 socket() 函數(shù)：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //IPPROTO_TCP表示TCP協(xié)議
這種套接字稱為 TCP 套接字。
如果使用 SOCK_DGRAM 傳輸方式，那么滿足這兩個條件的協(xié)議只有 UDP，因此可以這樣來調(diào)用 socket() 函數(shù)：
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //IPPROTO_UDP表示UDP協(xié)議
這種套接字稱為 UDP 套接字。
上面兩種情況都只有一種協(xié)議滿足條件，可以將 protocol 的值設(shè)為 0，系統(tǒng)會自動推演出應(yīng)該使用什么協(xié)議，如下所示：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //創(chuàng)建TCP套接字 int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //創(chuàng)建UDP套接字
大家需要記住127.0.0.1，它是一個特殊IP地址，表示本機地址，后面的教程會經(jīng)常用到。
你也可以使用 PF 前綴，PF 是“Protocol Family”的簡寫，它和 AF 是一樣的。例如，PF_INET 等價于 AF_INET，PF_INET6 等價于 AF_INET6。
(2)struct?sockaddr_in 結(jié)構(gòu)體解讀：設(shè)置服務(wù)器地址和監(jiān)聽端口
上述提到的sockaddr_in是什么？還有一個是sockaddr ？這倆個分別是什么有什么區(qū)別
struct sockaddr?和?struct sockaddr_in?這兩個結(jié)構(gòu)體用來處理網(wǎng)絡(luò)通信的地址。
下圖是 sockaddr 與 sockaddr_in 的對比（括號中的數(shù)字表示所占用的字節(jié)數(shù)）：
sockaddr_in 結(jié)構(gòu)體，sockaddr在頭文件#include <sys/socket.h>中定義，sockaddr的缺陷是：sa_data把目標(biāo)地址和端口信息混在一起了：
struct sockaddr{sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址類型char sa_data[14]; //IP地址和端口號
};sockaddr_in在頭文件#include<netinet/in.h>或#include <arpa/inet.h>中定義，該結(jié)構(gòu)體解決了sockaddr的缺陷，把port和addr 分開儲存在兩個變量中，如下：?
struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址類型uint16_t sin_port; //16位的端口號struct in_addr sin_addr; //32位IP地址char sin_zero[8]; //不使用，一般用0填充
};1) sin_family 和 socket() 的第一個參數(shù)的含義相同，取值也要保持一致。
地址族（Address Family），也就是 IP 地址類型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的簡寫，INET是“Inetnet”的簡寫。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如?1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
2) sin_prot 為端口號。uint16_t 的長度為兩個字節(jié)，理論上端口號的取值范圍為 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系統(tǒng)分配給特定的服務(wù)程序，例如 Web 服務(wù)的端口號為 80，FTP 服務(wù)的端口號為 21，所以我們的程序要盡量在 1024~65536 之間分配端口號。
端口號需要用 htons() 函數(shù)轉(zhuǎn)換，為什么呢？
3) sin_addr 是 struct in_addr 結(jié)構(gòu)體類型的變量，下面會詳細(xì)講解。
4) sin_zero[8] 是多余的8個字節(jié)，沒有用，一般使用 memset() 函數(shù)填充為 0。上面的代碼中，先用 memset() 將結(jié)構(gòu)體的全部字節(jié)填充為 0，再給前3個成員賦值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。
該結(jié)構(gòu)體中提到的另外一個結(jié)構(gòu)體in_addr 結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體只包含一個成員，如下所示：
struct in_addr{in_addr_t s_addr; //32位的IP地址
};in_addr_t 在頭文件 <netinet/in.h> 中定義，等價于 unsigned long，長度為4個字節(jié)。也就是說，s_addr 是一個整數(shù)，而IP地址是一個字符串，所以需要?inet_addr() 函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如：
unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);運行結(jié)果：
13278343
至于為什么要搞的這么復(fù)雜？
為什么要搞這么復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體中嵌套結(jié)構(gòu)體，而不用 sockaddr_in 的一個成員變量來指明IP地址呢？socket() 函數(shù)的第一個參數(shù)已經(jīng)指明了地址類型，為什么在 sockaddr_in 結(jié)構(gòu)體中還要再說明一次呢，這不是啰嗦嗎？
這些繁瑣的細(xì)節(jié)確實給初學(xué)者帶來了一定的障礙，我想，這或許是歷史原因吧，后面的接口總要兼容前面的代碼。各位讀者一定要有耐心，暫時不理解沒有關(guān)系，根據(jù)教程中的代碼“照貓畫虎”即可，時間久了自然會接受。
總結(jié)：
- 二者長度一樣，都是16個字節(jié)，即占用的內(nèi)存大小是一致的，因此可以互相轉(zhuǎn)化。二者是并列結(jié)構(gòu)，指向sockaddr_in結(jié)構(gòu)的指針也可以指向sockaddr。
- sockaddr常用于bind、connect、recvfrom、sendto等函數(shù)的參數(shù)（為社么呢？？），指明地址信息，是一種通用的套接字地址。?
bind() 第二個參數(shù)的類型為 sockaddr，而代碼中卻使用 sockaddr_in，然后再強制轉(zhuǎn)換為 sockaddr，這是為什么呢？
因為sockaddr 和 sockaddr_in 的長度相同，都是16字節(jié)，只是將IP地址和端口號合并到一起，用一個成員 sa_data 表示。要想給 sa_data 賦值，必須同時指明IP地址和端口號，例如”127.0.0.1:80“，遺憾的是，沒有相關(guān)函數(shù)將這個字符串轉(zhuǎn)換成需要的形式，也就很難給 sockaddr 類型的變量賦值，所以使用 sockaddr_in 來代替。這兩個結(jié)構(gòu)體的長度相同，強制轉(zhuǎn)換類型時不會丟失字節(jié)，也沒有多余的字節(jié)。
- sockaddr_in 是internet環(huán)境下套接字的地址形式。所以在網(wǎng)絡(luò)編程中我們會對sockaddr_in結(jié)構(gòu)體進(jìn)行操作，使用sockaddr_in來建立所需的信息，最后使用類型轉(zhuǎn)化就可以了。一般先把sockaddr_in變量賦值后，強制類型轉(zhuǎn)換后傳入用sockaddr做參數(shù)的函數(shù)：sockaddr_in用于socket定義和賦值；sockaddr用于函數(shù)參數(shù)。
可以認(rèn)為，sockaddr 是一種通用的結(jié)構(gòu)體，可以用來保存多種類型的IP地址和端口號，而 sockaddr_in 是專門用來保存 IPv4 地址的結(jié)構(gòu)體。另外還有 sockaddr_in6，用來保存 IPv6 地址，它的定義如下：
struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; //(2)地址類型，取值為AF_INET6in_port_t sin6_port; //(2)16位端口號uint32_t sin6_flowinfo; //(4)IPv6流信息struct in6_addr sin6_addr; //(4)具體的IPv6地址uint32_t sin6_scope_id; //(4)接口范圍ID
};正是由于通用結(jié)構(gòu)體 sockaddr 使用不便，才針對不同的地址類型定義了不同的結(jié)構(gòu)體。
?
擴展：
兩個函數(shù) htons() 和 inet_addr()。
htons()作用是將端口號由主機字節(jié)序轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序的整數(shù)值。(host to net)
inet_addr()作用是將一個IP字符串轉(zhuǎn)化為一個網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序的整數(shù)值，用于sockaddr_in.sin_addr.s_addr。
inet_ntoa()作用是將一個sin_addr結(jié)構(gòu)體輸出成IP字符串(network to ascii)。比如：
printf("%s",inet_ntoa(mysock.sin_addr));
htonl()作用和htons()一樣，不過它針對的是32位的（long），而htons()針對的是兩個字節(jié)，16位的（short）。
與htonl()和htons()作用相反的兩個函數(shù)是：ntohl()和ntohs()。?
? ?
（3）bind()函數(shù)解讀：綁定監(jiān)聽端口，將套接字文件描述符和地址類型變量（struct?sockaddr_in?）進(jìn)行綁定
int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen); //Windows下面的代碼，將創(chuàng)建的套接字與IP地址 127.0.0.1、端口 1234 綁定：
//創(chuàng)建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//創(chuàng)建sockaddr_in結(jié)構(gòu)體變量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每個字節(jié)都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具體的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口//將套接字和IP、端口綁定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));sock 為 socket 文件描述符，addr 為 sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量的指針，addrlen 為 addr 變量的大小，可由 sizeof() 計算得出。
（4）recvfrom() 函數(shù)解讀：服務(wù)器端接收客戶端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)
int recvfrom(int s, void *buf, int len, unsigned int flags,struct sockaddr *from, int *fromlen); 返回值說明：
成功則返回實際接收到的字符數(shù)，失敗返回-1，錯誤原因會存于errno 中。
參數(shù)說明：
s：? ? ? ? ??socket描述符；
buf：? ? ? ?UDP數(shù)據(jù)報緩存區(qū)（包含所接收的數(shù)據(jù)）；?
len：? ? ? ?緩沖區(qū)長度。?
flags：? ? 調(diào)用操作方式（一般設(shè)置為0）。?
from：? ? ?指向發(fā)送數(shù)據(jù)的客戶端地址信息的結(jié)構(gòu)體（sockaddr_in需類型轉(zhuǎn)換）；
fromlen：指針，指向from結(jié)構(gòu)體長度值。
（5）sendto() 函數(shù)解讀：向客戶端/服務(wù)器主機發(fā)送數(shù)據(jù)
int sendto(int s, const void *buf, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);返回值說明：
成功則返回實際傳送出去的字符數(shù)，失敗返回-1，錯誤原因會存于errno 中。
參數(shù)說明：
s：? ? ? socket描述符；
buf：? UDP數(shù)據(jù)報緩存區(qū)（包含待發(fā)送數(shù)據(jù)）；
len：? ?UDP數(shù)據(jù)報的長度；
flags：調(diào)用方式標(biāo)志位（一般設(shè)置為0）；
to： 指向接收數(shù)據(jù)的主機地址信息的結(jié)構(gòu)體（sockaddr_in需類型轉(zhuǎn)換）；
tolen：to所指結(jié)構(gòu)體的長度；
示例：
（1）服務(wù)器端
//服務(wù)器端
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 4096
#define UDPPORT 8001
#define SERVERIP "192.168.255.129"using namespace std;int main(){int serverfd;unsigned int server_addr_length, client_addr_length;char recvline[MAXLINE];char sendline[MAXLINE];struct sockaddr_in serveraddr , clientaddr;// 使用函數(shù)socket()，生成套接字文件描述符；if( (serverfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0 ){perror("socket() error");exit(1);}// 通過struct sockaddr_in 結(jié)構(gòu)設(shè)置服務(wù)器地址和監(jiān)聽端口；bzero(&serveraddr,sizeof(serveraddr));serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serveraddr.sin_port = htons(UDPPORT);server_addr_length = sizeof(serveraddr);// 使用bind() 函數(shù)綁定監(jiān)聽端口，將套接字文件描述符和地址類型變量（struct sockaddr_in ）進(jìn)行綁定；if( bind(serverfd, (struct sockaddr *) &serveraddr, server_addr_length) < 0){perror("bind() error");exit(1);}// 接收客戶端的數(shù)據(jù)，使用recvfrom() 函數(shù)接收客戶端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；client_addr_length = sizeof(sockaddr_in);int recv_length = 0;recv_length = recvfrom(serverfd, recvline, sizeof(recvline), 0, (struct sockaddr *) &clientaddr, &client_addr_length);cout << "recv_length = "<< recv_length <<endl;cout << recvline << endl;// 向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，使用sendto() 函數(shù)向服務(wù)器主機發(fā)送數(shù)據(jù)；int send_length = 0;sprintf(sendline, "hello client !");send_length = sendto(serverfd, sendline, sizeof(sendline), 0, (struct sockaddr *) &clientaddr, client_addr_length);if( send_length < 0){perror("sendto() error");exit(1);}cout << "send_length = "<< send_length <<endl;//關(guān)閉套接字，使用close() 函數(shù)釋放資源；close(serverfd);return 0;
}（2）客戶端
//客戶端
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE 4096
#define UDPPORT 8001
#define SERVERIP "192.168.255.129"using namespace std;int main(){int confd;unsigned int addr_length;char recvline[MAXLINE];char sendline[MAXLINE];struct sockaddr_in serveraddr;// 使用socket()，生成套接字文件描述符；if( (confd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0 ){perror("socket() error");exit(1);}//通過struct sockaddr_in 結(jié)構(gòu)設(shè)置服務(wù)器地址和監(jiān)聽端口；bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVERIP);serveraddr.sin_port = htons(UDPPORT);addr_length = sizeof(serveraddr);// 向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，sendto() ；int send_length = 0;sprintf(sendline,"hello server!");send_length = sendto(confd, sendline, sizeof(sendline), 0, (struct sockaddr *) &serveraddr, addr_length);if(send_length < 0 ){perror("sendto() error");exit(1);}cout << "send_length = " << send_length << endl;// 接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，recvfrom() ；int recv_length = 0;recv_length = recvfrom(confd, recvline, sizeof(recvline), 0, (struct sockaddr *) &serveraddr, &addr_length);cout << "recv_length = " << recv_length <<endl;cout << recvline << endl;// 關(guān)閉套接字，close() ；close(confd);return 0;
}參考：https://blog.csdn.net/qingzhuyuxian/article/details/79736821
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Socket：UDP协议小白的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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