【C++網絡編程】第5篇：UDP與廣播通信

一、UDP協議核心特性

1. UDP vs TCP

?特性 ?UDP?TCP
連接方式無連接面向連接（三次握手）
可靠性不保證數據到達或順序可靠傳輸（超時重傳、順序控制）
傳輸效率低延遲，高吞吐相對較低（因握手和確認機制）
適用場景實時音視頻、廣播、在線游戲文件傳輸、Web請求、數據庫操作

2. UDP數據包結構

  • **首部（8字節）**?：
| 源端口（2） | 目標端口（2） |
| 數據包長度（2） | 校驗和（2） |
  • 數據載荷：最大長度受限于IPv4的MTU（通常1500字節）?。

3. 不同方式介紹

?單播（Unicast）?：1 對 1（普通 UDP/TCP 通信）。
?廣播（Broadcast）?：1 對同一子網內所有設備。
?組播（Multicast）?：1 對一組指定的設備（跨子網）。

二、UDP單播通信實現

1. UDP服務器與客戶端流程

服務器：socket() → bind() → recvfrom() → sendto()
客戶端：socket() → sendto() → recvfrom()

2. 完整代碼示例

?UDP服務器（接收并回復）?

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>  
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")int main() {WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed!" << std::endl;return 1;}SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);sockaddr_in serverAddr{};serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serverAddr.sin_port = htons(8080);bind(sock, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));std::cout << "UDP Server listening on port 8080..." << std::endl;char buffer[1024];sockaddr_in clientAddr{};int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);while (true) {int bytesReceived = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0,(sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);if (bytesReceived == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "recvfrom failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;continue;}char clientIp[INET_ADDRSTRLEN] = { 0 };if (InetNtopA(AF_INET,                            // IPv4&clientAddr.sin_addr,               // 輸入地址結構體clientIp,                           // 輸出緩沖區sizeof(clientIp)                    // 緩沖區大小) == NULL) {std::cerr << "IP conversion failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;strcpy_s(clientIp, "unknown");      // 錯誤時顯示 "unknown"}std::cout << "Received " << bytesReceived << " bytes from "<< clientIp << ":"                  // 使用轉換后的 IP 字符串<< ntohs(clientAddr.sin_port) << std::endl;// 原樣返回數據sendto(sock, buffer, bytesReceived, 0,(sockaddr*)&clientAddr, clientAddrLen);}closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

UDP客戶端（發送消息）?

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h> 
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")int main() {WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed!" << std::endl;return 1;}SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);sockaddr_in serverAddr{};serverAddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &(serverAddr.sin_addr.s_addr));serverAddr.sin_port = htons(8080);const char* message = "Hello UDP Server!";sendto(sock, message, strlen(message), 0,(sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));char buffer[1024];int bytesReceived = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, nullptr, nullptr);if (bytesReceived > 0) {std::cout << "Server echoed: " << std::string(buffer, bytesReceived) << std::endl;}closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

測試結果
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三、UDP廣播通信

1. 廣播地址與設置

  • 廣播地址：255.255.255.255（全局廣播）或子網廣播地址（如192.168.1.255）。
  • ?套接字選項：啟用SO_BROADCAST。
int enable = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&enable, sizeof(enable));

2. 廣播發送端代碼

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>  
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")int main() {WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed!" << std::endl;return 1;}SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);// 啟用廣播int enable = 1;setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&enable, sizeof(enable));sockaddr_in broadcastAddr{};broadcastAddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &(broadcastAddr.sin_addr.s_addr));broadcastAddr.sin_port = htons(8080);const char* message = "Broadcast Message!";sendto(sock, message, strlen(message), 0,(sockaddr*)&broadcastAddr, sizeof(broadcastAddr));closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

3. 服務器端修改部分

        std::cout << "Received " << bytesReceived << " bytes from "<< clientIp << ":"                  // 使用轉換后的 IP 字符串<< ntohs(clientAddr.sin_port) << std::endl;std::cout << "Datas:" << std::string(buffer, bytesReceived) << std::endl;

4. 測試結果

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四、UDP組播（Multicast）?

1. 組播地址范圍

  • IPv4：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255（如239.255.0.1）。

2. 接收端

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")int main() {WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed!" << std::endl;return 1;}// 創建 UDP 套接字SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);if (sock == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "socket() failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;WSACleanup();return 1;}// 設置端口復用（允許其他進程綁定相同端口）int reuse = 1;if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,(char*)&reuse, sizeof(reuse)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "setsockopt(SO_REUSEADDR) failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 綁定到本地端口sockaddr_in localAddr{};localAddr.sin_family = AF_INET;localAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);localAddr.sin_port = htons(8080);if (bind(sock, (sockaddr*)&localAddr, sizeof(localAddr)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "bind() failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 加入組播組ip_mreq mreq{};if (inet_pton(AF_INET, "239.255.255.250", &(mreq.imr_multiaddr.s_addr)) != 1) {std::cerr << "inet_pton() failed for multicast address" << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 使用默認網絡接口if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP,(char*)&mreq, sizeof(mreq)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP) failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}std::cout << "Listening for multicast on 239.255.255.250:8080..." << std::endl;char buffer[1024];sockaddr_in senderAddr{};int senderAddrLen = sizeof(senderAddr);while (true) {// 接收數據int bytesReceived = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0,(sockaddr*)&senderAddr, &senderAddrLen);if (bytesReceived == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "recvfrom() failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;continue;}// 顯示來源信息char senderIp[INET_ADDRSTRLEN] = { 0 };inet_ntop(AF_INET, &senderAddr.sin_addr, senderIp, INET_ADDRSTRLEN);std::cout << "Received " << bytesReceived << " bytes from "<< senderIp << ":" << ntohs(senderAddr.sin_port) << std::endl;// 安全處理數據（防止緩沖區溢出）buffer[bytesReceived] = '\0';  // 添加字符串終止符std::cout << "Data: " << buffer << std::endl;}// 退出時清理（雖然 while(true) 會阻止執行到這里）closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

3. 發送端

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")int main() {// 初始化 WinsockWSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;return 1;}// 創建 UDP 套接字SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);if (sock == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "socket() failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;WSACleanup();return 1;}// 設置組播 TTL（控制傳輸范圍）int ttl = 32;if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL,(char*)&ttl, sizeof(ttl)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "setsockopt(IP_MULTICAST_TTL) failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 構建組播目標地址sockaddr_in multicastAddr{};multicastAddr.sin_family = AF_INET;multicastAddr.sin_port = htons(8080); // 目標端口// 轉換組播地址if (inet_pton(AF_INET, "239.255.255.250", &multicastAddr.sin_addr.s_addr) != 1) {std::cerr << "inet_pton() failed for multicast address" << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 發送數據const char* msg = "Hello Multicast!";int msgLen = static_cast<int>(strlen(msg));int bytesSent = sendto(sock, msg, msgLen, 0,(sockaddr*)&multicastAddr, sizeof(multicastAddr));if (bytesSent == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "sendto() failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;}else if (bytesSent != msgLen) {std::cerr << "sendto() partial send: " << bytesSent << "/" << msgLen << std::endl;}else {std::cout << "Successfully sent " << bytesSent<< " bytes to multicast group 239.255.255.250:8080" << std::endl;}// 清理資源closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

4. 測試結果

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