簡單UDP網絡程序

UDP網絡程序服務端

封裝 UdpSocket

服務端創建套接字

服務端綁定

運行服務器

UDP網絡程序客戶端

客戶端創建套接字

客戶端綁定

運行客戶端

通過上篇文章的學習，我們已經對網絡套接字有了一定的了解。在本篇文章中，我們將基于之前掌握的知識進行實際運用，動手實現一個簡單的 UDP 網絡程序。

UDP網絡程序服務端

封裝 UdpSocket

服務端創建套接字

我們為了使得代碼整體看起來比較的簡介，這里進行封裝，將服務器封裝成一個類。

當我們定義出一個服務器類后，首先要做的就是進行初始化，進行初始化的第一件事就是進行創建套接字。

socket函數

創建套接字的函數叫做socket，該函數的函數原型如下：

int socket(int domain, int type, int protocol);

參數說明：

domain：套接字創建時使用的域（也稱為協議族），用于指定套接字的類型。該參數對應?struct sockaddr?結構的前16位。若為本地通信，應設置為?AF_UNIX；若為網絡通信，則通常使用?AF_INET（IPv4）或?AF_INET6（IPv6）。
type：套接字所需的服務類型。常見的有?SOCK_STREAM?和?SOCK_DGRAM?兩種。基于 UDP 的網絡通信應選用?SOCK_DGRAM（用戶數據報服務）；而基于 TCP 的網絡通信則使用?SOCK_STREAM（流式套接字），提供可靠的流式數據傳輸服務。
protocol：套接字所使用的協議類型。可以顯式指定為 TCP 或 UDP，但通常建議直接設置為?0，表示使用默認協議。系統會根據前兩個參數（domain?和?type）自動推斷應采用的協議。

返回值說明：

套接字創建成功返回一個文件描述符，創建失敗返回-1，同時錯誤碼會被設置。

創建套接字時我們需要填入的協議家族就是AF_INET，因為我們要進行的是網絡通信，而我們需要的服務類型就是SOCK_DGRAM，因為我們現在編寫的UDP服務器是面向數據報的，而第三個參數之間設置為0即可。

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>class UdpServer
{
public:bool InitServer(){// 創建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){// 創建套接字失敗std::cerr << "socket error" << std::endl;return false;}std::cout << "socket create success, sockfd: " << _sockfd << std::endl;return true;}~UdpServer(){if(_sockfd >= 0){close(_sockfd);}}
private:int _sockfd; // 文件描述符
};

除此之外，我們還理應當設置析構函數，當程序結束或者服務器關閉時，理應當關閉對應的文件描述符對應的文件。

測試，檢擦是否創建成功：

#include "UdpServer.hpp"int main()
{UdpServer* svr = new UdpServer();svr->InitServer();svr->~UdpServer();return 0;
}

運行結果如下：

運行程序后可以看到套接字是創建成功的，對應獲取到的文件描述符就是3，這也很好理解，因為0、1、2默認被標準輸入流、標準輸出流和標準錯誤流占用了，此時最小的、未被利用的文件描述符就是3。

服務端綁定

現在套接字已經創建成功了，但作為一款服務器來講，如果只是把套接字創建好了，那我們也只是在系統層面上打開了一個文件，操作系統將來并不知道是要將數據寫入到磁盤還是刷到網卡，此時該文件還沒有與網絡關聯起來。

這里需要調用的函數就是bind函數，同樣需要提醒的是，我們寫的這個是UDP，所以是不連接的，所以第二件是為綁定，與TCP略有不同。

綁定的函數叫做bind，該函數的函數原型如下：

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數說明：

sockfd：綁定的文件的文件描述符。也就是我們創建套接字時獲取到的文件描述符。
addr：網絡相關的屬性信息，包括協議家族、IP地址、端口號等。
addrlen：傳入的addr結構體的長度。

返回值說明：

綁定成功返回0，綁定失敗返回-1，同時錯誤碼會被設置。

struct sockaddr_in結構體

在上篇文章中，僅僅介紹了sockaddr的三種結構的適用場景與區別，然后進行了簡單的使用介紹，那么下面就看源碼進行了解。

因為我們是跨網絡通信，所以使用的是sockaddr_in。

在該文件中就可以找到struct sockaddr_in結構的定義，需要注意的是，struct sockaddr_in屬于系統級的概念，不同的平臺接口設計可能會有點差別。

可以看到，struct sockaddr_in當中的成員如下：

sin_family：表示協議家族。
sin_port：表示端口號，是一個16位的整數。
sin_addr：表示IP地址，是一個32位的整數。

其中sin_addr的類型是struct in_addr，實際該結構體當中就只有一個成員，該成員就是一個32位的整數，IP地址實際就是存儲在這個整數當中的。

剩下的字段一般不做處理，當然你也可以進行初始化。

如何理解綁定？

簡單的來說，socket就像我們買了一部手機，這部手機本身沒有任何身份，它可以用來打給任何人，也可以接聽任何電話，但別人不知道如何聯系到你。

bind就好比辦一個手機卡并公布號碼，在這個過程中，bind它將這個“手機號碼”（網絡地址）與你的“手機”（套接字）綁定在一起。

技術角度來說就是：bind?系統調用的作用是將一個協議地址（IP地址 + 端口號）分配給一個套接字（socket）。

所以bind?的本質就是“掛牌營業”。?它告訴操作系統：“我這個套接字就在這個IP地址的這個端口上提供服務了，所有發往這個地址的數據包都交給我來處理！”

增加IP地址與端口號

所以我們根據bind的參數，得知我們除了要有sockfd，還需要知道IP與端口號。

所以為剛才的類添加成員變量。

// ...class UdpServer
{
public:UdpServer(std::string ip, int port):_sockfd(-1),_port(port),_ip(ip){}bool InitServer(){// ...}~UdpServer(){// ...}
private:int _sockfd; // 文件描述符int _port; //端口號std::string _ip; //IP地址
};

注意：?雖然這里端口號定義為整型，但由于端口號是16位的，因此我們實際只會用到它的低16位。

服務端綁定

套接字初始化完成后，就需要進行綁定了，但在綁定之前，我們需要先自己創建一個

struct sockaddr_in類型的變量，將對應的網絡屬性信息填充到該結構當中。由于該結構體當中還有部分選填字段，因此我們最好在填充之前對該結構體變量里面的內容進行清空，然后再將協議家族、端口號、IP地址等信息填充到該結構體變量當中。

還需要注意的就是，我們的IP格式，因為我們類中的成員IP變量是string類型的，因為在網絡中通信的規定，我們還需要先調用c_str()將其轉化為字符串，然后再轉化為整形IP的形式，此時我們需要調用inet_addr函數將字符串IP轉換成整數IP。除此之外還需要注意的就是網絡字節序的問題，因為網絡中傳輸使用的是大端序，所以我們在發送到網絡之前需要將端口號設置為網絡序列，由于端口號是16位的，因此我們需要使用htons函數將端口號轉為網絡序列。

當網絡屬性信息填充完畢后，由于bind函數提供的是通用參數類型，因此在傳入結構體地址時還需要將struct sockaddr_in*強轉為struct sockaddr*類型后再進行傳入。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <string>class UdpServer
{
public:UdpServer(std::string ip, int port):_sockfd(-1),_port(port),_ip(ip){}bool InitServer(){// 創建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){// 創建套接字失敗std::cerr << "socket error" << std::endl;return false;}std::cout << "socket create success, sockfd: " << _sockfd << std::endl;//填充網絡通信相關信息struct sockaddr_in local;memset(&local, '\0', sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());//綁定if (bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(sockaddr)) < 0){ //綁定失敗std::cerr << "bind error" << std::endl;return false;}std::cout << "bind success" << std::endl;return true;}~UdpServer(){if(_sockfd >= 0){close(_sockfd);}}
private:int _sockfd; // 文件描述符int _port; //端口號std::string _ip; //IP地址
};

同樣我們可以進行再次封裝，將初始化的函數整體看起來簡便些。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <string>class UdpServer
{
public:UdpServer(std::string ip, int port):_sockfd(-1),_port(port),_ip(ip){}bool Socket(){_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){// 創建套接字失敗std::cerr << "socket error" << std::endl;return false;}std::cout << "socket create success, sockfd: " << _sockfd << std::endl;return true;}bool Bind(){//填充網絡通信相關信息struct sockaddr_in local;memset(&local, '\0', sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());//綁定if (bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(sockaddr)) < 0){ //綁定失敗std::cerr << "bind error" << std::endl;return false;}std::cout << "bind success" << std::endl;return true;}bool InitServer(){// 檢查socket創建是否成功if (!Socket()) {return false;}// 檢查綁定是否成功if (!Bind()) {close(_sockfd);_sockfd = -1;return false;}return true;}~UdpServer(){if(_sockfd >= 0){close(_sockfd);}}
private:int _sockfd; // 文件描述符int _port; //端口號std::string _ip; //IP地址
};

運行服務器

UDP服務器的初始化就只需要創建套接字和綁定就行了，當服務器初始化完畢后我們就可以啟動服務器了。

服務器持續運行，其核心使命就是周而復始地為客戶端提供特定服務。正因如此，服務器程序一旦啟動，便通常不會主動退出，其內部邏輯往往通過一個循環結構不斷執行，以保持長時間的服務能力。

UDP 服務器采用無連接通信模式，這意味著它無需建立和維護連接狀態。一旦啟動完成，UDP 服務器即可隨時接收來自任何客戶端的數據報，直接讀取對方發送的信息，并進行相應處理，處理完一個數據后，進行返回，然后執行下一次循環，等待下一次發來的數據，進行周而復始的操作。

所以整體的代碼就是一個死循環，可以使用for，也可使用while，這里使用for。

recvfrom函數

接收客戶端發來的數據的函數是recvfrom函數。該函數的函數原型如下：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

參數說明：

sockfd：對應操作的文件描述符。表示從該文件描述符索引的文件當中讀取數據。
buf：讀取數據的存放位置。
len：期望讀取數據的字節數。
flags：讀取的方式。一般設置為0，表示阻塞讀取。
src_addr：對端網絡相關的屬性信息，包括協議家族、IP地址、端口號等。
addrlen：調用時傳入期望讀取的src_addr結構體的長度，返回時代表實際讀取到的src_addr結構體的長度，這是一個輸入輸出型參數。

返回值說明：

讀取成功返回實際讀取到的字節數，讀取失敗返回-1，同時錯誤碼會被設置。

注意：

在調用recvfrom讀取數據時，必須將addrlen設置為你要讀取的結構體對應的大小。
由于recvfrom函數提供的參數也是struct sockaddr*類型的，因此我們在傳入結構體地址時需要將struct sockaddr_in*類型進行強轉。

啟動服務器函數

服務器通過?recvfrom?函數讀取客戶端發來的數據時，現在視為接收到的數據為字符串。所以為了確保字符串正確終止，應在數據末尾手動添加?'\0'。這樣，接收到的內容就可以直接用于輸出或后續的字符串操作。

同時，我們還可以獲取并輸出客戶端的地址信息，包括IP地址和端口號。需要注意的是：

獲取到的客戶端端口號是網絡字節序格式，所以要在輸出前應當使用?ntohs?函數將其轉換為主機字節序。
獲取到的客戶端IP地址是一個整型的網絡字節序地址，應當使用?inet_ntoa?函數將其轉換為點分十進制格式的字符串后再進行輸出。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <string>#define SIZE 128class UdpServer
{
public:UdpServer(std::string ip, int port)// ...{}bool InitServer(){// ...}void Start(){char buffer[SIZE];for(;;){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);ssize_t size = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (size > 0){buffer[size] = '\0';int port = ntohs(peer.sin_port);std::string ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);std::cout << ip << ":" << port << "# " << buffer << std::endl;}else{std::cerr << "recvfrom error" << std::endl;}}}~UdpServer(){// ...}
private:int _sockfd; // 文件描述符int _port; //端口號std::string _ip; //IP地址
};

如果調用recvfrom函數讀取數據失敗，我們可以打印一條提示信息，但是不要讓服務器退出，因為考慮到實際情況，服務器不能因為讀取某一個客戶端的數據失敗就退出，不能因為別人的問題，而自己去承擔，應該自己的問題自己承擔，所以對此應該是客戶端去處理。

sendto函數

同樣我們還需要對客戶端發來的數據進行處理，然后進行返回，這里返回處理后的數據使用到的函數是sendto函數，該函數的函數原型如下：

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

參數說明：

sockfd：對應操作的文件描述符。表示將數據寫入該文件描述符索引的文件當中。
buf：待寫入數據的存放位置。
len：期望寫入數據的字節數。
flags：寫入的方式。一般設置為0，表示阻塞寫入。
dest_addr：對端網絡相關的屬性信息，包括協議家族、IP地址、端口號等。 addrlen：傳入dest_addr結構體的長度。

返回值說明：

寫入成功返回實際寫入的字節數，寫入失敗返回-1，同時錯誤碼會被設置。

注意：

由于sendto函數提供的參數也是struct sockaddr*類型的，因此我們在傳入結構體地址時需要將struct sockaddr_in*類型進行強轉。

補充啟動客戶端函數

對于數據我們這里為了方便，就將原數據不進行處理，而是再數據前加一個server get->，然后直接返回。

void Start()
{char buffer[SIZE];for(;;){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);ssize_t size = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (size > 0){buffer[size] = '\0';int port = ntohs(peer.sin_port);std::string ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);std::cout << ip << ":" << port << "# " << buffer << std::endl;}else{std::cerr << "recvfrom error" << std::endl;}std::string echo_msg = "server get->";echo_msg += buffer;sendto(_sockfd, echo_msg.c_str(), echo_msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, len);}
}

那么我們就先對其進行簡單的測試，看看有沒有語法錯誤。

這里的參數我是隨便寫的，對于真正的測試還需要編寫客戶端的代碼，才可以知道start的邏輯是否有錯，這里只可以證明初始化沒有錯，start沒有語法錯誤與越界之類的問題，真正的邏輯問題不能檢測。

#include "UdpServer.hpp"int main()
{std::string server_ip = "127.0.0.1";int server_port = 8080;UdpServer* svr = new UdpServer(server_ip, server_port);svr->InitServer();svr->Start();svr->~UdpServer();return 0;
}

但是我們在main函數中設置這一些ip與端口號的信息，多少有點影響美觀，所以我們將其設置在.hpp文件內。

設置?IP = "0.0.0.0"?表示服務器將監聽本機所有可用的網絡接口（網卡）上的指定端口。而不僅僅是我們最一開始設置的127.0.0.1，只可以收到本機發的數據。

到這里我們就簡單的實現了一個UDP網絡程序，雖然十分簡單，但也向前邁出了第一步。

下面我們就緊跟編寫客戶端的代碼，然后進行測試我們寫的服務端代碼是否真正無錯誤。

UDP網絡程序客戶端

同樣的，我們把客戶端也封裝成一個類，當我們定義出一個客戶端對象后也是需要對其進行初始化，而客戶端在初始化時也需要創建套接字，之后客戶端發送數據或接收數據也就是對這個套接字進行操作。

客戶端創建套接字

客戶端創建套接字時選擇的協議家族也是AF_INET，需要的服務類型也是SOCK_DGRAM，當客戶端被析構時也可以選擇關閉對應的套接字。與服務端不同的是，客戶端在初始化時只需要創建套接字就行了，而不需要進行綁定操作。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <string>class UdpClient
{
public:bool InitClient(){//創建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){std::cerr << "socket create error" << std::endl;return false;}return true;}~UdpClient(){if(_sockfd >= 0){close(_sockfd);}}
private:int _sockfd; //文件描述符
};

客戶端綁定

與之不同的客戶端綁定問題

在網絡通信中，通信雙方都需要通過IP地址和端口號來定位對方。服務器和客戶端雖然都具備各自的IP地址和端口號，但它們在端口號的使用方式上存在重要區別。

服務器作為服務的提供方，必須明確告知外界自己的訪問地址。通常，服務器通過域名公開其IP地址，而端口號則往往不會顯式地對外公布。因此，服務器必須使用一個眾所周知的、固定的端口號，并且在選定之后不能隨意更改，否則客戶端將無法得知應當連接至哪個端口。這正是服務器需要主動綁定端口的原因——通過調用?bind?系統調用，服務器獨占該端口，確保同一時刻只有一個進程能夠在此端口上提供服務。

相反，客戶端雖然同樣需要端口號進行通信，但通常不需要主動綁定端口。客戶端訪問服務端時，僅要求其端口號在當前系統中是唯一的，而不必與某一特定進程長期關聯。

如果客戶端綁定了某個固定端口，會導致幾個問題：首先，該端口將被獨占，即使客戶端未運行，其他程序也無法使用該端口；其次，若該端口已被占用，客戶端程序將無法啟動。因此，客戶端的端口分配更適合采用動態方式，無需人工指定。當調用?sendto?等網絡接口時，操作系統會自動為其分配合適的、當前未被使用的臨時端口號。

也就是說，客戶端每次啟動時使用的端口號可能是不同的。只要系統中有可用的臨時端口，客戶端就能正常啟動和通信。這種機制既提高了端口資源的利用率，也增加了客戶端運行的靈活性。

運行客戶端

同樣，根服務端一個道理，我們要添加IP地址和端口號成員變量。但對于一個客戶端來說，我們是必須要知道服務器端的ip地址與端口號的，因此在客戶端類當中引入服務端的IP地址和端口號，此時我們就可以根據傳入的服務端的IP地址和端口號對對應的成員進行初始化。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <string>class UdpClient
{
public:UdpClient(std::string server_ip, int server_port):_sockfd(-1),_server_port(server_port),_server_ip(server_ip){}bool InitClient(){// ...}~UdpClient(){// ...}
private:int _sockfd; //文件描述符int _server_port; //服務端端口號std::string _server_ip; //服務端IP地址
};

同樣跟服務器端一樣，當運行起來后，我們就需要處理通信的問題了，對于客戶端來說，是應該先發送數據，然后再接收到服務器端處理完后返回的數據。

那么思路就是我們將客戶端也設置為死循環，設置為我們自行輸入要發送的數據，然后向服務器端發送數據，然后接收到返回的數據后打印出來。按照此邏輯寫代碼。

    void Start(){std::string msg;struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));peer.sin_family = AF_INET;peer.sin_port = htons(_server_port);peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());for (;;){std::cout << "Please Enter# ";getline(std::cin, msg);sendto(_sockfd, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));char buffer[SIZE];struct sockaddr_in tmp;socklen_t len = sizeof(tmp);ssize_t size = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&tmp, &len);if (size > 0){buffer[size] = '\0';std::cout << buffer << std::endl;}}}

然后我們簡單的編寫一下UDP客戶端的.cc文件，這里用到了引入命令行參數，不了解的話，可以去搜一下，理解起來也是不難的。因為這部分的代碼不是很難，所以就直接給代碼，不講解了。

#include "UdpClient.hpp"void Usage(std::string proc)
{std::cout << "\n\rUsage: " << proc << " serverip serverport\n" << std::endl;
}int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);exit(0);}// 同樣作為客戶端，我們是先發信息，然后經過服務端處理后才會返回讓客戶端接收到// 同樣要創建套接字// int sockfd_;     // 網路文件描述符// std::string ip_; // 任意 ip 地址  表示的是服務器的IP地址。具體來說，ip_ 是用來綁定服務器的網絡接口的IP地址。// uint16_t port_;  // 表明服務器進程的端口號std::string server_ip = argv[1];int server_port = atoi(argv[2]);UdpClient* clt = new UdpClient(server_ip, server_port);clt->InitClient();clt->Start();return 0;
}

最后添加Makefile文件

.PHONY:all
all:udpserver udpclientudpserver:main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
udpclient:UdpClient.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread.PHONY:clean
clean:rm -f udpserver udpclient

最后測試結果：