一、 網絡編程概述

1.1 概述

在現代軟件開發與系統交互場景里，基于?Socket?的網絡多進程通信占據核心地位，其適用場景廣泛且深入到各類數字化交互中：

• 直播場景：主播端通過 Socket 建立的網絡連接，將音視頻流以數據包形式，依托 TCP 或 UDP 協議（依據場景選擇，如低延遲需求可能用 UDP 結合糾錯策略 ），實時傳輸到平臺服務器，再由服務器通過多進程通信分發給百萬級觀眾端，實現直播內容的跨地域傳播。
• 文件發送與資源下載：發送端把文件拆分為網絡數據包，借由 TCP 可靠傳輸（保障文件完整性 ），按序發送給接收端；資源下載同理，客戶端與服務器通過 Socket 握手建立連接，以流式傳輸逐步獲取資源，像瀏覽器下載軟件安裝包，背后就是基于 Socket 網絡通信的文件傳輸邏輯。
• 即時聊天：聊天消息（文字、表情、語音片段 ）作為字符串或二進制數據，通過網絡載體發送，例如 QQ、微信等應用，利用自定義協議封裝消息，基于 TCP 保證消息不丟包、不亂序，讓雙方主機能解析還原對話內容，實現實時交互。

????????對于?IOT（物聯網）?，智能家居是典型場景：智能空調基于 TCP/UDP 協議，與家庭網關建立連接，采集室內溫度（數據上發 ），同時接收手機 APP 發送的 MQTT 協議指令（如下發 “設置 26℃” ），完成制冷溫度調節（下發控制 ），依托現有網絡實現設備互聯與智能控制。本質上，就是把物理設備數據與控制指令，通過網絡協議轉化為可傳輸、解析的信息，打通 “設備 - 網絡 - 控制端” 鏈路 。

1.2 計算機網絡發展

起源背景與 ARPA 成立

1957 年蘇聯發射 Sputnik（斯普特尼克）人造衛星，這一事件觸動美國對軍事、科技主導權的擔憂 —— 若蘇聯憑借衛星實現通信、情報優勢，美國將陷入被動。因此，1958 年 1 月 7 日，美國緊急撥款成立?ARPA（Advanced Research Projects Agency，美國高級研究計劃署 ）?，核心目標是突破蘇聯可能的技術封鎖，研發先進網絡、通信技術，為軍事及科研提供支撐，后續 ARPA 推動的網絡研究，成為現代計算機網絡的重要起源 。

計算機網絡核心需求（區別傳統通信 ）

• 非語音優先：傳統電話網聚焦語音通話，而計算機網絡設計初衷是?數據傳輸與多設備協同?，比如科研計算數據共享、軍事信息交互，不局限于 “通話” 單一功能，更強調多類型數據（文件、指令、傳感器數據等 ）的傳遞 。
• 簡單可靠：早期網絡用于科研、軍事，需在復雜環境（如跨地域、惡劣條件 ）下穩定運行，所以追求?結構簡潔、傳輸容錯性強?。例如，即便部分節點故障，仍能通過冗余路由傳遞數據，保障整體網絡不癱瘓 。
• 異構設備兼容：要連接不同廠商、架構的計算機（如早期大型機、小型機 ），讓 IBM 主機與 DEC 終端能互傳數據，就得突破硬件、系統差異，制定通用通信規則，這也是網絡協議誕生的驅動力之一 。
• 節點平等與路由冗余：網絡里沒有 “中心主機優先”，所有節點（如實驗室的計算終端、軍事監測設備 ）地位等同?，保障數據交互的去中心化；同時，“冗余路由” 是為了避免單點故障，像軍事網絡，若一條通信鏈路被破壞，能自動切換到備用鏈路，確保信息持續傳輸 。
• 唯一標識（IP 地址 ）：網絡里每臺設備必須有?獨一無二的 “身份”?，才能精準收發數據，這就是 IP 地址的核心作用。

IP 地址體系（IPv4 & IPv6 ）

• IPv4：采用?32 位二進制?表示地址（如?192.168.1.1?，轉換為二進制是 32 個 0/1 組合 ），分成 4 個 8 位段（即 “點分十進制” ），每個段取值?0 - 255?。但由于互聯網早期分配策略與地址消耗速度，IPv4 資源極度稀缺?—— 中國僅拿到?156.x.x.x?、188.x.x.x?等少量 “高級資源段”（實際是 A 類、B 類地址中的部分分配 ），導致局域網常用?NAT（網絡地址轉換 ）?技術，讓多設備共享一個公網 IPv4，通過 “區域唯一 IP + 多級路由”（如家庭路由器分配?192.168.xxx?內網地址，再映射到公網 IP ）緩解地址不足問題 。
• IPv6：為解決 IPv4 枯竭，推出?128 位二進制?地址（格式如?2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334?），地址空間從 IPv4 的約 43 億個，暴增至近乎 “無限”（理論上約?\(2^{128}\)?個 ），能為全球設備（包括未來海量物聯網終端 ）分配獨立公網地址，徹底解決地址短缺，推動萬物互聯更高效落地 。

1.3 TCP/IP & UDP 協議

協議本質與應用邏輯

基于?Socket（套接字 ）?，TCP/IP 和 UDP 是網絡數據傳輸的 “規則框架”，讓不同設備（如手機與服務器、智能手表與云端 ）能跨網絡通信。兩者都以?“報文頭 + 數據體”?形式封裝信息：

• “報文頭”?類似快遞面單：包含 “消息類型”（如 TCP 的連接標識、UDP 的端口號 ）、源 IP、目的 IP 等，告訴網絡 “數據從哪來、到哪去、按什么規則傳” ；
• “數據體”?是實際內容：可以是聊天消息、文件片段、傳感器數值等，依托 “面單（報文頭 ）” 的指引，在網絡中流轉 。

TCP/IP vs UDP 核心差異（以傳輸文件、直播為例 ）

• TCP（傳輸控制協議 ）：
  • 可靠傳輸：通過 “三次握手” 建立連接（確保雙方收發能力正常 ）、“確認應答”（發出去的數據，對方必須回傳確認，丟包就重發 ）、“擁塞控制”（網絡擁堵時自動降低發送速度 ），像?傳輸重要文件（如合同、安裝包 ）?，必須保證數據完整，就依賴 TCP 。缺點是?傳輸延遲高?，不適合對實時性要求極致的場景 。
• UDP（用戶數據報協議 ）：
  • 無連接、低延遲：無需提前握手，直接發數據，省去連接耗時，像?直播推流、游戲實時交互?（如 FPS 游戲里的子彈射擊指令 ），追求 “瞬間響應” ，哪怕偶爾丟包（畫面卡頓一下、游戲子彈偶爾沒同步 ），也優先保證實時性。但缺點是?不可靠?，數據發出去不保證對方收到，需應用層自己處理丟包、亂序問題 。

網絡分層模型（OSI 七層 & TCP/IP 四層 ）

• OSI 七層結構（理論參考 ）：從下到上為?物理層（網線、光纖傳輸電信號 / 光信號 ）→ 數據鏈路層（以太網協議，處理網卡收發包 ）→ 網絡層（IP 協議，負責尋址、路由 ）→ 傳輸層（TCP/UDP，負責端到端數據可靠 / 快速傳輸 ）→ 會話層（管理應用程序間的連接會話 ）→ 表示層（數據加密、壓縮、格式轉換 ）→ 應用層（HTTP、FTP 等具體應用協議 ）?。它是理想的 “標準化分層”，便于理解網絡各環節職責，但實際應用中較難嚴格分層實現 。
• TCP/IP 四層結構（實際主流 ）：簡化為?網絡接口層（對應 OSI 物理層 + 數據鏈路層，處理硬件、鏈路通信 ）→ 網絡層（IP 協議，管理地址、路由 ）→ 傳輸層（TCP/UDP，負責端到端傳輸 ）→ 應用層（HTTP、MQTT 等應用協議，直接對應用戶功能 ）?。更貼合實際開發與協議設計，比如我們寫代碼調用 HTTP（應用層 ），底層自動通過 TCP（傳輸層 ）、IP（網絡層 ）等完成通信，無需關注七層細節 。

組包和解包：

1.4 小端字節序和大選字節序

二、UDP編程

1. UDP 協議概述

• 無連接特性：UDP 協議面向【無連接】，通信前無需像 TCP 那樣建立連接，直接發送數據報，降低通信初始開銷 。
• 角色平等性：不區分客戶端和服務器，僅有發送端和接收端概念，雙方都可主動發數據，靈活適用于廣播、組播場景 。
• 傳輸可靠性：因無連接，數據傳輸無確認、重傳機制，存在丟包、亂序風險，數據安全性依賴應用層保障 。
• 傳輸效率：無需連接管理、確認等額外流程，數據傳遞速度較快 。
• 典型應用場景：適用于廣播、組播，以及對數據完整性要求不絕對嚴格的場景，如直播（容忍偶爾丟包不影響觀看流暢性 ）、網絡游戲（優先保證實時交互，輕微數據丟失可通過游戲邏輯彌補 ）。

2. 本地數據轉網絡相關函數

2.1?htons：本地 16 位數據轉網絡數據【小轉大】

• 函數原型：

  #include <arpa/inet.h>
  uint16_t htons(uint16_t hostshort);
  

• 功能：將無符號?short?類型本地小端字節序數據（如主機存儲的端口號 ），轉換為網絡大端字節序，適配網絡傳輸要求（網絡協議通常以大端序解析數據 ），常用于【端口號小轉大】 。
• 參數：uint16_t hostshort?，uint16_t?是無符號?short?類型（16 位二進制位 ），參數內容為本地主機 16 位二進制數據（如端口號實際值 ）。
• 返回值：轉換后符合網絡大端字節序的 16 位無符號?short?類型數據 。

2.2?htonl：本地 32 位數據轉網絡數據【小轉大】

• 函數原型：

  #include <arpa/inet.h>
  uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
  

• 功能：把無符號?int?類型本地小端字節序數據（如 32 位 IP 地址 ），轉為網絡大端字節序，常用于【32 位?int?類型 IP 地址小轉大】 。
• 參數：uint32_t hostlong?，uint32_t?是無符號?int?類型（32 位二進制位 ），參數為本地主機 32 位二進制數據（如 IP 地址實際值 ）。
• 返回值：轉換后符合網絡大端字節序的 32 位無符號?int?類型數據 。

自定義實現示例（補充代碼邏輯 ）

以下是手動實現?my_htons、my_htonl?及測試函數的代碼，展示字節序轉換邏輯：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>uint16_t my_htons(uint16_t host_value) {uint16_t net_value = 0;// 小端轉大端：交換高低 8 位net_value |= (host_value << 8) | (host_value >> 8);return net_value;
}uint32_t my_htonl(uint32_t host_value) {uint32_t net_value = 0;// 小端轉大端：重新排列 4 個字節順序net_value |= (host_value & 0xFF) << 24;net_value |= ((host_value >> 8) & 0xFF) << 16;net_value |= ((host_value >> 16) & 0xFF) << 8;net_value |= (host_value >> 24);return net_value;
}void test_htons(void) {uint16_t host_value = 7385;uint16_t net_value = htons(host_value);printf("htons net_value : %d\n", net_value);net_value = my_htons(host_value);printf("my_htons net_value : %d\n", net_value);
}void test_htonl(void) {uint32_t host_value = 0xC0A80D48; // 示例 IP 地址轉換前值uint32_t net_value = htonl(host_value);printf("htonl net_value : %d\n", net_value);net_value = my_htonl(host_value);printf("my_htonl net_value : %d\n", net_value);
}int main(int argc, char const *argv[]) {test_htons();test_htonl();return 0;
}

• 邏輯說明：
  • my_htons?通過位移操作，交換 16 位數據的高低 8 位，實現小端到網絡大端（大端通常等價于 “高字節在前” ）轉換 。
  • my_htonl?拆分 32 位數據的 4 個字節，重新按大端序（高字節對應高位 ）拼接，完成小端到網絡大端轉換 。

2.3?ntohs：網絡 16 位數據轉本地數據【大轉小】

• 函數原型：

  #include <arpa/inet.h>
  uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
  

• 功能：將無符號?short?類型網絡大端字節序數據（如網絡接收的端口號 ），轉換為本地小端字節序，適配主機存儲解析，常用于【端口號大轉小】 。
• 參數：uint16_t netshort?，表示網絡大端序的 16 位無符號?short?類型數據（如網絡傳來的端口號 ）。
• 返回值：轉換后符合本地小端字節序的 16 位無符號?short?類型數據 。

2.4?ntohl：網絡 32 位數據轉本地數據【大轉小】

• 函數原型：

  #include <arpa/inet.h>
  uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
  

• 功能：把無符號?int?類型網絡大端字節序數據（如網絡接收的 32 位 IP 地址 ），轉為本地小端字節序，常用于【32 位?int?類型 IP 地址大轉小】 。
• 參數：uint32_t netlong?，表示網絡大端序的 32 位無符號?int?類型數據（如網絡傳來的 IP 地址 ）。
• 返回值：轉換后符合本地小端字節序的 32 位無符號?int?類型數據 。

3. IPv4 地址相關操作

3.1 IPv4 地址描述

IPv4 地址有兩種表示形式：

• 點分十進制字符串：如?192.168.13.72?，直觀易讀，要求字符串長度最小 16 字節（保障數據完整性 ），用于人機交互展示 。
• 4 字節?int?類型數值：網絡傳輸、程序內部操作時常用，以緊湊二進制形式存儲，減少數據量，提升傳輸、處理效率 。

3.2 點分十進制 IP 轉網絡 4 字節?int?類型 IP 地址

• 函數?inet_pton：
  • 原型：

    #include <arpa/inet.h>
    int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
    

  • 功能：將【點分十進制】IPv4/IPv6 字符串（如?192.168.13.20?），轉換為對應協議的 32 位（IPv4 ）或 128 位（IPv6 ）整數 IP 描述形式，存入指定內存 。
  • 參數：
    • int af：協議族，AF_INET?對應 IPv4，AF_INET6?對應 IPv6 。
    • const char *src：點分十進制格式的 IP 地址字符串（如?192.168.13.20?）。
    • void *dst：存儲轉換后 IP 地址二進制數據的內存地址（如?uint32_t?變量地址，用于存 IPv4 轉換結果 ）。
  • 返回值：轉換成功返回?1；地址族不支持返回?0；輸入無效（非合法 IP 格式 ）返回?-1，并設置?errno?為?EINVAL?。

代碼示例（inet_pton?應用 ）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char const *argv[]) {// 點分十進制 IPv4 地址char *str = "192.168.13.72"; // 存儲轉換后的 4 字節 int 類型 IP 數據uint32_t ip_value = 0; // 調用 inet_pton 轉換，AF_INET 表示 IPv4 協議int ret = inet_pton(AF_INET, str, &ip_value); if (ret != 1) {perror("inet_pton error!");exit(EXIT_FAILURE);}// 轉換后為網絡大端序 4 字節 IP 數據，符合網絡傳輸要求printf("ip_value : %d\n", ip_value); return 0;
}

• 說明：192.168.13.72?轉換后，ip_value?存儲大端序二進制數據（如示例中對應?1208854720?），可用于網絡通信的 IP 地址設置 。

3.3 網絡 4 字節?int?類型 IP 地址轉點分十進制 IP 地址

• 函數?inet_ntop：
  • 原型：

    #include <arpa/inet.h>
    const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
    

  • 功能：將 32 位（IPv4 ）或 128 位（IPv6 ）整數形式的 IP 地址，按協議要求轉換為【點分十進制】（IPv4 ）或對應格式（IPv6 ）的字符串，支持 IPv4、IPv6 。
  • 參數：
    • int af：協議族（AF_INET?對應 IPv4，AF_INET6?對應 IPv6 ）。
    • const void *src：存儲 IP 地址二進制數據的內存地址（如?uint32_t?變量地址，存 IPv4 大端序數據 ）。
    • char *dst：存儲轉換后點分十進制字符串的緩沖區，IPv4 要求最小 16 字節空間 。
    • socklen_t size：dst?緩沖區的字節長度 。
  • 返回值：轉換成功返回指向?dst?的指針（即點分十進制字符串首地址 ）；失敗返回?NULL?。

代碼示例（inet_ntop?應用 ）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char const *argv[]) {// 網絡大端序 4 字節 IP 數據（對應 192.168.13.72 轉換后的值 ）uint32_t net_ip = 1208854720; // 存儲點分十進制 IP 的緩沖區char ip_addr[16] = ""; // 調用 inet_ntop 轉換，AF_INET 表示 IPv4 協議const char *ip = inet_ntop(AF_INET, &net_ip, ip_addr, 16); if (NULL == ip) {perror("inet_ntop error!");exit(EXIT_FAILURE);}printf("ip_addr : %s\n", ip_addr);printf("ip : %s\n", ip); return 0;
}

• 說明：net_ip?是網絡大端序的 4 字節 IP 數據，經?inet_ntop?轉換后，ip_addr?存儲點分十進制字符串（如?192.168.13.72?），實現 “網絡二進制 IP” 到 “可讀字符串” 的轉換 。

3.4 組播

1. 什么是組播？

組播是一種點對多的網絡通信方式：

• 發送端將數據發送到一個特定的「組播地址」，只有主動加入該組的接收端才能收到數據。
• 與廣播（所有設備都能收到）相比，組播更高效（僅目標組接收）；與單播（一對一）相比，組播節省帶寬（一份數據同時發給多個接收端）。

2. 組播的核心特點

• 組播地址：使用 IPv4 的?D 類地址（范圍：224.0.0.0?~?239.255.255.255），專門用于標識組播組。
  • 例如：224.0.1.1（通用組播地址）、239.255.255.250（SSDP 協議常用）。
• 組管理：依賴?IGMP 協議（互聯網組管理協議），接收端通過 IGMP 向路由器聲明「加入 / 離開組播組」，路由器據此轉發組播數據。
• 無連接：基于 UDP 協議（無可靠性保證，但實時性好）。

3. 組播與廣播的區別

特性	組播	廣播
接收范圍	僅加入組播組的設備	局域網內所有設備
地址類型	D 類地址（224.0.0.0~239.255.255.255）	受限廣播（255.255.255.255）或子網廣播
路由支持	可跨網段（需路由器支持）	通常被路由器阻止（僅限本地子網）
效率	高（按需接收）	低（無用數據多）

4. 組播通信流程

1. 發送端：創建 UDP 套接字，將數據發送到指定的組播地址和端口（無需加入組）。
2. 接收端：
   • 創建 UDP 套接字，綁定到組播端口。
   • 通過?setsockopt?調用?IP_ADD_MEMBERSHIP?選項，加入目標組播組。
   • 從套接字接收組播數據。

5. 組播地址與公網通信的關系

（1）組播地址是否為 “公網 IP”？

組播地址不是傳統意義上的 “公網 IP”（公網 IP 通常指互聯網中可唯一路由的單播地址）。它是專門為組播設計的特殊地址，僅用于標識 “組播組”，不對應具體的物理設備或網絡接口。

?

根據用途，組播地址可細分為：

• 本地鏈路組播（224.0.0.0 ~ 224.0.0.255）：僅在本地局域網內有效，不會被路由器轉發（如?224.0.0.1?表示本地子網所有主機）。
• 全球組播（224.0.1.0 ~ 238.255.255.255）：理論上可在公網中路由，用于跨網絡組播（需網絡設備支持）。
• 管理權限組播（239.0.0.0 ~ 239.255.255.255）：類似私網 IP，僅在特定管理域內使用，不允許跨公網路由。

（2）跨國主機能否通過同一組播組通信？

• 理論上：若兩國主機加入同一全球組播地址（如?224.0.1.100），且中間網絡路徑（路由器、交換機）均支持組播路由協議（如 PIM、IGMPv3），則可能收到數據。
• 實際中：幾乎無法實現，原因包括：
  • 多數公網運營商（ISP）為簡化路由、節省帶寬，不支持全局組播路由，甚至屏蔽組播數據包。
  • 跨地域組播路由配置復雜，易引發網絡風暴（冗余數據泛濫）。
  • 部分國家 / 地區對跨網組播有管控，以保障網絡安全。

（3）替代方案

若需跨地域 “一對多” 通信，更常用的方案是：

?

• 單播 + 服務器轉發（如即時通訊群聊，由服務器向多終端單播轉發）；
• P2P 協議（節點間直接通信，無需依賴組播）。

（4）具體代碼示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#define MULTICAST_GROUP "239.0.0.1"  // 組播地址（D類地址）
#define MULTICAST_PORT  9000         // 組播端口
#define BUFFER_SIZE     1024int main() {int sockfd;struct sockaddr_in local_addr;    // 本地地址（綁定用）struct ip_mreq mreq;              // 組播組信息（用于加入組）char buffer[BUFFER_SIZE];// 1. 創建UDP套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket創建失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 配置本地地址（綁定到組播端口）memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));local_addr.sin_family = AF_INET;local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 監聽所有網絡接口local_addr.sin_port = htons(MULTICAST_PORT);     // 綁定到組播端口// 3. 綁定套接字（必須綁定端口才能接收組播數據）if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {perror("綁定失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 配置組播組信息，準備加入組mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_GROUP);  // 組播地址mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);           // 本地任意接口// 5. 加入組播組（關鍵步驟）if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) < 0) {perror("加入組播組失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("已加入組播組 %s:%d，等待接收數據...\n", MULTICAST_GROUP, MULTICAST_PORT);// 6. 循環接收組播數據while (1) {socklen_t addr_len = sizeof(local_addr);ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE-1, 0,(struct sockaddr*)&local_addr, &addr_len);if (recv_len < 0) {perror("接收數據失敗");break;}buffer[recv_len] = '\0';printf("收到組播數據：%s\n", buffer);}// 7. 離開組播組（可選）setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));close(sockfd);return 0;
}

3.5 廣播

接收端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#define BROADCAST_PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd;struct sockaddr_in local_addr, sender_addr;socklen_t sender_len = sizeof(sender_addr);char buffer[BUFFER_SIZE];// 創建UDP套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket創建失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置本地地址memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));local_addr.sin_family = AF_INET;local_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 監聽所有網絡接口local_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);// 綁定套接字到本地地址和端口if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {perror("綁定失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("等待接收廣播消息...\n");// 接收廣播消息ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,(struct sockaddr *)&sender_addr, &sender_len);if (recv_len < 0) {perror("接收消息失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}buffer[recv_len] = '\0';printf("從 %s:%d 收到消息: %s\n", inet_ntoa(sender_addr.sin_addr),ntohs(sender_addr.sin_port),buffer);// 關閉套接字close(sockfd);return 0;
}

發送端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#define BROADCAST_PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd;struct sockaddr_in broadcast_addr;char buffer[BUFFER_SIZE] = "這是一條UDP廣播消息";int broadcast_enable = 1;// 創建UDP套接字if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("socket創建失敗");exit(EXIT_FAILURE);}// 設置廣播選項if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast_enable, sizeof(broadcast_enable)) < 0) {perror("設置廣播選項失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 配置廣播地址memset(&broadcast_addr, 0, sizeof(broadcast_addr));broadcast_addr.sin_family = AF_INET;broadcast_addr.sin_port = htons(BROADCAST_PORT);// 設置廣播地址為255.255.255.255if (inet_pton(AF_INET, "255.255.255.255", &broadcast_addr.sin_addr) <= 0) {perror("無效的廣播地址");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 發送廣播消息printf("發送廣播消息: %s\n", buffer);if (sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&broadcast_addr, sizeof(broadcast_addr)) < 0) {perror("發送消息失敗");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 關閉套接字close(sockfd);return 0;
}

4. UDP 編程

4.1 UDP 編程流程

• UDP 發送端：socket()?→?sendto()?→?close()

  • socket()：創建網絡通信套接字，建立通信 “通道” 。
  • sendto()：指定目標地址、端口，發送 UDP 數據報 。
  • close()：關閉套接字，釋放資源 。

• UDP 接收端：socket()?→?bind()?→?recvfrom()?→?close()

  • socket()：創建套接字 。
  • bind()：綁定本地 IP、端口，讓套接字監聽指定地址的數據 。
  • recvfrom()：阻塞等待接收 UDP 數據報，同時獲取發送端地址信息 。
  • close()：關閉套接字 。

4.2 UDP 編程相關函數

4.2.1?socket：申請創建 Socket 套接字

• 函數原型：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>
  int socket(int domain, int type, int protocol);
  

• 功能：創建網絡通信套接字，返回對應文件描述符，作為后續網絡操作（收發數據等 ）的標識 。
• 參數：
  • int domain：協議族，如?AF_INET（IPv4 協議 ）、AF_INET6（IPv6 協議 ）。
  • int type：套接字類型，SOCK_DGRAM?表示 UDP 套接字（無連接、基于數據報 ）；SOCK_STREAM?表示 TCP 套接字（面向連接、基于流 ）；SOCK_RAW?表示原始套接字（可直接操作網絡層協議 ）。
  • int protocol：協議類型，IPPROTO_UDP?表示 UDP 協議；IPPROTO_TCP?表示 TCP 協議 。
• 返回值：成功返回套接字文件描述符（非負整數 ）；失敗返回?-1?。

代碼示例（socket?創建 UDP 套接字 ）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char const *argv[]) {// 存儲套接字文件描述符int socket_fd = -1; // 創建 UDP 套接字：AF_INET（IPv4 ） + SOCK_DGRAM（UDP 類型 ） + IPPROTO_UDP（UDP 協議 ）socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); if (-1 == socket_fd) {perror("socket error!");exit(EXIT_FAILURE);}printf("socket_fd : %d\n", socket_fd); getchar(); close(socket_fd); return 0;
}

補充說明：struct sockaddr?和?struct sockaddr_in?結構體

• struct sockaddr：通用套接字地址結構體，系統定義的標準格式，用于兼容不同協議地址：

  struct sockaddr {sa_family_t sa_family; // 地址族（如 AF_INET ）char        sa_data[14]; // 協議地址（14 字節，存具體地址、端口等 ）
  };
  

• struct sockaddr_in：針對 IPv4 協議的地址結構體，更直觀描述 IPv4 通信地址：

  struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族（固定為 AF_INET ）in_port_t      sin_port;   // 16 位端口號（網絡字節序 ）struct in_addr sin_addr;   // 32 位 IPv4 地址（網絡字節序 ）char           sin_zero[8]; // 填充字段，使結構體長度與 sockaddr 一致
  };

struct in_addr {uint32_t s_addr; // 32位無符號整數，存儲IPv4地址（網絡字節序）
};

• 該結構體專門用于存儲 IPv4 地址的 32 位二進制表示，s_addr字段的值必須是網絡字節序（大端序），通常通過inet_pton等函數轉換得到。

結構體使用說明

• sockaddr與sockaddr_in的關系：
  兩者內存大小相同（均為 16 字節），sockaddr_in是AF_INET協議族的專用結構體，字段更清晰；而sockaddr是通用結構體，作為系統調用（如bind、sendto）的參數類型。使用時需將sockaddr_in*強制轉換為sockaddr*。
• 初始化注意事項：
  sin_zero字段需用bzero或memset清零，保證與sockaddr結構體大小一致；sin_family必須設為AF_INET；sin_port和sin_addr.s_addr必須轉換為網絡字節序。

4.2.2?bind：綁定套接字到本地地址和端口

• 函數原型：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>
  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  

• 功能：將創建的套接字與本地 IP 地址和端口綁定，確保數據能通過該地址和端口收發（服務器必須綁定，客戶端可選）。
• 參數：
  • sockfd：socket函數返回的套接字文件描述符。
  • addr：指向sockaddr（或sockaddr_in）結構體的指針，包含本地 IP 和端口信息（需轉換為網絡字節序）。
  • addrlen：addr結構體的字節長度（如sizeof(struct sockaddr_in)）。
• 返回值：成功返回0；失敗返回-1。

4.2.3?sendto：發送 UDP 數據報

• 函數原型：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>
  ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  

• 功能：向指定目標地址發送 UDP 數據報（無需提前建立連接）。
• 參數：
  • sockfd：套接字文件描述符。
  • buf：待發送數據的緩沖區地址。
  • len：待發送數據的字節長度。
  • flags：發送標志（通常為0，表示默認行為）。
  • dest_addr：指向目標地址結構體（sockaddr_in）的指針，包含對方 IP 和端口。
  • addrlen：目標地址結構體的字節長度。
• 返回值：成功返回發送的字節數；失敗返回-1。

4.2.4?recvfrom：接收 UDP 數據報

• 函數原型：

  #include <sys/types.h>
  #include <sys/socket.h>
  ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  

• 功能：接收 UDP 數據報，并獲取發送方的地址信息。
• 參數：
  • sockfd：套接字文件描述符。
  • buf：存儲接收數據的緩沖區地址。
  • len：緩沖區的最大容量（字節）。
  • flags：接收標志（通常為0）。
  • src_addr：輸出參數，用于存儲發送方的地址信息（需提前分配內存）。
  • addrlen：輸入輸出參數，輸入時為src_addr的容量，輸出時為實際地址長度。
• 返回值：成功返回接收的字節數；失敗返回-1。

4.2.5?close：關閉套接字

• 函數原型：

  #include <unistd.h>
  int close(int fd);
  

• 功能：關閉套接字，釋放相關資源。
• 參數：fd為套接字文件描述符。
• 返回值：成功返回0；失敗返回-1。

三、UDP 客戶端與服務器完整通信示例

服務器代碼（udp_server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>#define PORT 8888         // 服務器端口號
#define BUFFER_SIZE 1024  // 緩沖區大小int main() {int sockfd;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);char buffer[BUFFER_SIZE];// 1. 創建UDP套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 初始化服務器地址結構體memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;                  // IPv4server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // 綁定所有本地IPserver_addr.sin_port = htons(PORT);                // 端口轉換為網絡字節序// 3. 綁定套接字到本地地址和端口if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("UDP server started on port %d...\n", PORT);while (1) {// 4. 接收客戶端數據ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,(struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);if (recv_len == -1) {perror("recvfrom failed");continue;}buffer[recv_len] = '\0';  // 手動添加字符串結束符// 打印客戶端信息和接收的數據char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("Received from %s:%d: %s\n", client_ip, ntohs(client_addr.sin_port), buffer);// 若收到"exit"，則退出服務器if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {printf("Server exiting...\n");break;}// 5. 回復客戶端（echo功能）const char* reply = "Message received";if (sendto(sockfd, reply, strlen(reply), 0,(struct sockaddr*)&client_addr, client_addr_len) == -1) {perror("sendto failed");}}// 6. 關閉套接字close(sockfd);return 0;
}

客戶端代碼（udp_client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"  // 服務器IP（本地回環地址）
#define SERVER_PORT 8888       // 服務器端口號
#define BUFFER_SIZE 1024       // 緩沖區大小int main() {int sockfd;struct sockaddr_in server_addr;socklen_t server_addr_len = sizeof(server_addr);char buffer[BUFFER_SIZE];// 1. 創建UDP套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);if (sockfd == -1) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 初始化服務器地址結構體memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);// 轉換服務器IP為網絡字節序if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) != 1) {perror("invalid server IP");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Enter message to send (type 'exit' to quit):\n");while (1) {// 3. 從標準輸入獲取數據printf("> ");fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);// 移除fgets添加的換行符buffer[strcspn(buffer, "\n")] = '\0';// 4. 發送數據到服務器if (sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0,(struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_len) == -1) {perror("sendto failed");continue;}// 若發送"exit"，則退出客戶端if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {printf("Client exiting...\n");break;}// 5. 接收服務器回復ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,NULL, NULL);  // 不關心服務器地址，設為NULLif (recv_len == -1) {perror("recvfrom failed");continue;}buffer[recv_len] = '\0';printf("Server reply: %s\n", buffer);}// 6. 關閉套接字close(sockfd);return 0;
}

https://github.com/0voice