Socket：UDP協議小白

UDP（user datagram protocol）使用者資料包協議，屬於傳輸層。

首先要搞清楚網路通訊的幾個層次：

OSI 是 Open System Interconnection 的縮寫，譯為“開放式系統互聯”。
OSI 模型把網路通訊的工作分為 7 層，從下到上分別是物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。
OSI 只是存在於概念和理論上的一種模型，它的缺點是分層太多，增加了網路工作的複雜性，所以沒有大規模應用。後來人們對 OSI 進行了簡化，合併了一些層，最終只保留了 4 層，從下到上分別是介面層、網路層、傳輸層和應用層，這就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型。

我們平常使用的程式（或者說軟體）一般都是通過應用層來訪問網路的，程式產生的資料會一層一層地往下傳輸，直到最後的網路介面層，就通過網線傳送到網際網路上去了。資料每往下走一層，就會被這一層的協議增加一層包裝，等到傳送到網際網路上時，已經比原始資料多了四層包裝。整個資料封裝的過程就像俄羅斯套娃。

當另一臺計算機接收到資料包時，會從網路介面層再一層一層往上傳輸，每傳輸一層就拆開一層包裝，直到最後的應用層，就得到了最原始的資料，這才是程式要使用的資料。

給資料加包裝的過程，實際上就是在資料的頭部增加一個標誌（一個資料塊），表示資料經過了這一層，我已經處理過了。給資料拆包裝的過程正好相反，就是去掉資料頭部的標誌，讓它逐漸現出原形。

我們所說的 socket 程式設計，是站在傳輸層的基礎上，所以可以使用 TCP/UDP 協議，但是不能幹「訪問網頁」這樣的事情，因為訪問網頁所需要的 http 協議位於應用層。

兩臺計算機進行通訊時，必須遵守以下原則：

• 必須是同一層次進行通訊，比如，A 計算機的應用層和 B 計算機的傳輸層就不能通訊，因為它們不在一個層次，資料的拆包會遇到問題。
• 每一層的功能都必須相同，也就是擁有完全相同的網路模型。如果網路模型都不同，那不就亂套了，誰都不認識誰。
• 資料只能逐層傳輸，不能躍層。
• 每一層可以使用下層提供的服務，並向上層提供服務。

TCP/IP 模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百個互為關聯的協議，其中 TCP 和 IP 是最常用的兩種底層協議，所以把它們統稱為“TCP/IP 協議族”。

也就是說，“TCP/IP模型”中所涉及到的協議稱為“TCP/IP協議族”。

個人學習的socket 程式設計是基於 TCP 和 UDP 協議的，它們的層級關係如下圖所示：

UDP是面向非連線的協議，它不與對方建立連線，而是直接把資料包發給對方。UDP無需建立類如三次握手的連線，使得通訊效率很高。因此UDP適用於一次傳輸資料量很少、對可靠性要求不高的或對實時性要求高的應用場景。

服務端：

　　　　　　（1）使用函式socket()，生成套接字檔案描述符；

　　　　　　（2）通過struct sockaddr_in 結構設定伺服器地址和監聽埠；

　　　　　　（3）使用bind() 函式繫結監聽埠，將套接字檔案描述符和地址型別變數（struct sockaddr_in ）進行繫結；

　　　　　　（4）接收客戶端的資料，使用recvfrom() 函式接收客戶端的網路資料；

　　　　　　（5）向客戶端傳送資料，使用sendto() 函式向伺服器主機傳送資料；

　　　　　　（6）關閉套接字，使用close() 函式釋放資源；

　　　　客戶端：

　　　　　　（1）使用socket()，生成套接字檔案描述符；

　　　　　　（2）通過struct sockaddr_in 結構設定伺服器地址和監聽埠；

　　　　　　（3）向伺服器傳送資料，sendto() ；

　　　　　　（4）接收伺服器的資料，recvfrom() ；

　　　　　　（5）關閉套接字，close() ；

（1）socket()函式解讀:生成套接字檔案描述符

socket() 函式用來建立套接字，確定套接字的各種屬性，然後伺服器端要用 bind() 函式將套接字與特定的 IP 地址和埠繫結起來，只有這樣，流經該 IP 地址和埠的資料才能交給套接字處理。類似地，客戶端也要用 connect() 函式建立連線。

int socket(int af, int type, int protocol);//Linux下//在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 標頭檔案中 socket() 函式來建立套接字
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);//windows下
//兩者除了返回值型別不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作為普通檔案對待，而是返回 SOCKET 型別的控制程式碼。請看下面的例子： 
SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //建立TCP套接字

1) af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址型別，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 為資料傳輸方式/套接字型別，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向連線的套接字） 和 SOCK_DGRAM（資料包套接字/無連線的套接字）

3) protocol 表示傳輸協議，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分別表示 TCP 傳輸協議和 UDP 傳輸協議。
有了地址型別和資料傳輸方式，還不足以決定採用哪種協議嗎？為什麼還需要第三個引數呢？（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 兩個引數就可以建立套接字了，作業系統會自動推演出協議型別，除非遇到這樣的情況：有兩種不同的協議支援同一種地址型別和資料傳輸型別。如果我們不指明使用哪種協議，作業系統是沒辦法自動推演的。

本教程使用 IPv4 地址，引數 af 的值為 PF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 傳輸資料，那麼滿足這兩個條件的協議只有 TCP，因此可以這樣來呼叫 socket() 函式：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //IPPROTO_TCP表示TCP協議

這種套接字稱為 TCP 套接字。

如果使用 SOCK_DGRAM 傳輸方式，那麼滿足這兩個條件的協議只有 UDP，因此可以這樣來呼叫 socket() 函式：

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  //IPPROTO_UDP表示UDP協議

這種套接字稱為 UDP 套接字。

上面兩種情況都只有一種協議滿足條件，可以將 protocol 的值設為 0，系統會自動推演出應該使用什麼協議，如下所示：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //建立TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //建立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，後面的教程會經常用到。

你也可以使用 PF 字首，PF 是“Protocol Family”的簡寫，它和 AF 是一樣的。例如，PF_INET 等價於 AF_INET，PF_INET6 等價於 AF_INET6。

(2)struct sockaddr_in 結構體解讀：設定伺服器地址和監聽埠

上述提到的sockaddr_in是什麼？還有一個是sockaddr ？這倆個分別是什麼有什麼區別

struct sockaddr 和 struct sockaddr_in 這兩個結構體用來處理網路通訊的地址。

下圖是 sockaddr 與 sockaddr_in 的對比（括號中的數字表示所佔用的位元組數）：

sockaddr_in 結構體，sockaddr在標頭檔案#include <sys/socket.h>中定義，sockaddr的缺陷是：sa_data把目標地址和埠資訊混在一起了：

struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址型別
    char         sa_data[14];  //IP地址和埠號
};

sockaddr_in在標頭檔案#include<netinet/in.h>或#include <arpa/inet.h>中定義，該結構體解決了sockaddr的缺陷，把port和addr 分開儲存在兩個變數中，如下： 

struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址型別
    uint16_t        sin_port;     //16位的埠號
    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() 的第一個引數的含義相同，取值也要保持一致。

地址族（Address Family），也就是 IP 地址型別，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 為埠號。uint16_t 的長度為兩個位元組，理論上埠號的取值範圍為 0~65536，但 0~1023 的埠一般由系統分配給特定的服務程式，例如 Web 服務的埠號為 80，FTP 服務的埠號為 21，所以我們的程式要儘量在 1024~65536 之間分配埠號。

埠號需要用 htons() 函式轉換，為什麼呢？

3) sin_addr 是 struct in_addr 結構體型別的變數，下面會詳細講解。

4) sin_zero[8] 是多餘的8個位元組，沒有用，一般使用 memset() 函式填充為 0。上面的程式碼中，先用 memset() 將結構體的全部位元組填充為 0，再給前3個成員賦值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

該結構體中提到的另外一個結構體in_addr 結構體，該結構體只包含一個成員，如下所示：

struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

in_addr_t 在標頭檔案 <netinet/in.h> 中定義，等價於 unsigned long，長度為4個位元組。也就是說，s_addr 是一個整數，而IP地址是一個字串，所以需要 inet_addr() 函式進行轉換，例如：

unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);

執行結果：
13278343

至於為什麼要搞的這麼複雜？

為什麼要搞這麼複雜，結構體中巢狀結構體，而不用 sockaddr_in 的一個成員變數來指明IP地址呢？socket() 函式的第一個引數已經指明瞭地址型別，為什麼在 sockaddr_in 結構體中還要再說明一次呢，這不是囉嗦嗎？

這些繁瑣的細節確實給初學者帶來了一定的障礙，我想，這或許是歷史原因吧，後面的介面總要相容前面的程式碼。各位讀者一定要有耐心，暫時不理解沒有關係，根據教程中的程式碼“照貓畫虎”即可，時間久了自然會接受。

總結：

1. 二者長度一樣，都是16個位元組，即佔用的記憶體大小是一致的，因此可以互相轉化。二者是並列結構，指向sockaddr_in結構的指標也可以指向sockaddr。
2. sockaddr常用於bind、connect、recvfrom、sendto等函式的引數（為社麼呢？？），指明地址資訊，是一種通用的套接字地址。 

bind() 第二個引數的型別為 sockaddr，而程式碼中卻使用 sockaddr_in，然後再強制轉換為 sockaddr，這是為什麼呢？

因為sockaddr 和 sockaddr_in 的長度相同，都是16位元組，只是將IP地址和埠號合併到一起，用一個成員 sa_data 表示。要想給 sa_data 賦值，必須同時指明IP地址和埠號，例如”127.0.0.1:80“，遺憾的是，沒有相關函式將這個字串轉換成需要的形式，也就很難給 sockaddr 型別的變數賦值，所以使用 sockaddr_in 來代替。這兩個結構體的長度相同，強制轉換型別時不會丟失位元組，也沒有多餘的位元組。

1. sockaddr_in 是internet環境下套接字的地址形式。所以在網路程式設計中我們會對sockaddr_in結構體進行操作，使用sockaddr_in來建立所需的資訊，最後使用型別轉化就可以了。一般先把sockaddr_in變數賦值後，強制型別轉換後傳入用sockaddr做引數的函式：sockaddr_in用於socket定義和賦值；sockaddr用於函式引數。

可以認為，sockaddr 是一種通用的結構體，可以用來儲存多種型別的IP地址和埠號，而 sockaddr_in 是專門用來儲存 IPv4 地址的結構體。另外還有 sockaddr_in6，用來儲存 IPv6 地址，它的定義如下：

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址型別，取值為AF_INET6
    in_port_t sin6_port;  //(2)16位埠號
    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流資訊
    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具體的IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)介面範圍ID
};

正是由於通用結構體 sockaddr 使用不便，才針對不同的地址型別定義了不同的結構體。

 

擴充套件：

兩個函式 htons() 和 inet_addr()。

htons()作用是將埠號由主機位元組序轉換為網路位元組序的整數值。(host to net)

inet_addr()作用是將一個IP字串轉化為一個網路位元組序的整數值，用於sockaddr_in.sin_addr.s_addr。

inet_ntoa()作用是將一個sin_addr結構體輸出成IP字串(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()針對的是兩個位元組，16位的（short）。

與htonl()和htons()作用相反的兩個函式是：ntohl()和ntohs()。 

   

（3）bind()函式解讀：繫結監聽埠，將套接字檔案描述符和地址型別變數（struct sockaddr_in ）進行繫結

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows

下面的程式碼，將建立的套接字與IP地址 127.0.0.1、埠 1234 繫結：

//建立套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

//建立sockaddr_in結構體變數
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每個位元組都用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);  //埠

//將套接字和IP、埠繫結
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

sock 為 socket 檔案描述符，addr 為 sockaddr 結構體變數的指標，addrlen 為 addr 變數的大小，可由 sizeof() 計算得出。

（4）recvfrom() 函式解讀：伺服器端接收客戶端的網路資料

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元數，失敗返回-1，錯誤原因會存於errno 中。

　　引數說明：

　　　　s：          socket描述符；
　　　　buf：       UDP資料包快取區（包含所接收的資料）； 
　　　　len：       緩衝區長度。 
　　　　flags：    呼叫操作方式（一般設定為0）。 
　　　　from：     指向傳送資料的客戶端地址資訊的結構體（sockaddr_in需型別轉換）；
　　　　fromlen：指標，指向from結構體長度值。

（5）sendto() 函式解讀：向客戶端/伺服器主機傳送資料

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元數，失敗返回-1，錯誤原因會存於errno 中。

　　引數說明：

　　　　s：      socket描述符；
　　　　buf：  UDP資料包快取區（包含待傳送資料）；
　　　　len：   UDP資料包的長度；
　　　　flags：呼叫方式標誌位（一般設定為0）；
　　　　to：　 指向接收資料的主機地址資訊的結構體（sockaddr_in需型別轉換）；
　　　　tolen：to所指結構體的長度；

示例：

（1）伺服器端

//伺服器端
#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;

    // 使用函式socket()，生成套接字檔案描述符；
    if( (serverfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0 ){
        perror("socket() error");
        exit(1);
    }

    // 通過struct sockaddr_in 結構設定伺服器地址和監聽埠；
    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() 函式繫結監聽埠，將套接字檔案描述符和地址型別變數（struct sockaddr_in ）進行繫結；
    if( bind(serverfd, (struct sockaddr *) &serveraddr, server_addr_length) < 0){
        perror("bind() error");
        exit(1);
    }

    // 接收客戶端的資料，使用recvfrom() 函式接收客戶端的網路資料；
    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;

    // 向客戶端傳送資料，使用sendto() 函式向伺服器主機傳送資料；
    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;

    //關閉套接字，使用close() 函式釋放資源；
    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()，生成套接字檔案描述符；
    if( (confd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0 ){
        perror("socket() error");
        exit(1);
    }

    //通過struct sockaddr_in 結構設定伺服器地址和監聽埠；
    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);

    // 向伺服器傳送資料，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;

    // 接收伺服器的資料，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;

    // 關閉套接字，close() ；
    close(confd);

    return 0;
}

參考：https://blog.csdn.net/qingzhuyuxian/article/details/79736821