【網路程式設計】TCPIP-5-UDP

李柱明發表於2021-08-22
程式設計TCPUDP

目錄

前言

說明：

  • demo 基於 Linux。

5. UDP 網路程式設計

UDP 是無連線的，不需要建立連線。

5.1 UDP 的工作原理

參考圖：

主機B的資料包中包含目的主機的IP+埠號。
其中IP是把資料的目的主機地址，埠號是目的主機對用的程式。

路由器小知識：

  • IP：主機地址。如目的IP，每個路由器都會檢查IP，若在本地，就往本地埠轉發，若不在，就往外埠發。（在轉發過程中是不會變的）
  • MAC：裝置地址。目的MAC，下一個物理連線的裝置地址。（在轉發過程中可能會變，因為參考的是下一個，而不是最終目的）

5.2 UDP 的高效性

UDP 不需要建立連線和響應校驗，實時性比 TCP 高。
一般用在網路實時傳遞的視訊或者音訊中，因為丟失部分資料也不會影響太大。

5.3 實現 UDP 服務端/客戶端

5.3.1 概念

UDP 伺服器和客戶端均只需一個套接字：

  • TCP 中，套接字之間應該是一對一的關係。
  • UDP 中，不管是伺服器端還是客戶端都只需要 1 個套接字，就可以任意傳輸。

如圖：

5.3.2 UDP 的資料 I/O 函式

/*
	sock: 用於傳輸資料的 UDP 套接字
	buff: 儲存待傳輸資料的緩衝地址值
	nbytes: 待傳輸的資料長度，以位元組為單位
	flags: 可選項引數，若沒有則傳遞 0
	to: 存有目標地址的 sockaddr 結構體變數的地址值
	addrlen: 傳遞給引數 to 的地址值結構體變數長度
	成功時返回傳輸的位元組數，失敗時返回 -1
*/
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
               struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);


/*
	sock: 用於傳輸資料的 UDP 套接字
	buff: 儲存待傳輸資料的緩衝地址值
	nbytes: 待傳輸的資料長度，以位元組為單位
	flags: 可選項引數，若沒有則傳遞 0
	from: 存有傳送端地址資訊的 sockaddr 結構體變數的地址值
	addrlen: 儲存引數 from 的結構體變數長度的變數地址值。
	成功時返回傳輸的位元組數，失敗時返回 -1
*/
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sock, void *buff, size_t nbytes, int flags,
                 struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);

5.3.3 UDP 客戶端地址分配

TCP 中客戶端地址可以設定也可以系統分配，（TCP connect() 函式自動完成分配IP&埠號），建立連線後就固定使用。

UDP 中客戶端中呼叫 sendto() 函式時自動分配 IP 和 埠號，首次呼叫才分配，分配後使用直至程式結束（有興趣可以看看UDP打洞技術）。
也可以在呼叫 sendto() 函式前使用 bind() 函式繫結本機 IP。

5.4 UDP 的資料傳輸特性

TCP 是流式的資料傳輸，訊息沒有邊界，需要應用層自己去定義訊息邊界。
UDP 是資料包傳輸，所以協議保證了一次只能接收一個資料包。
個人表達：資料邊界意思是，資料會不會自動分割，比如兩個結構體連續存在一段記憶體中，那是有邊界的，結構體把其分割了。若把其資料拷貝到陣列裡面，那是無邊界的，因為分不清從哪裡才是分割線。

所以UDP中本端發 N 次到對端，對端就得收 N 次。

5.5 UDP 呼叫 connect 函式

UDP套接字分：

  • 未連線（unconnected）UDP 套接字。
  • 已連線（connect）UDP 套接字。

瞭解下 sendto() 函式傳輸資料過程：

  1. 第 1 階段：向 UDP 套接字註冊目標 IP 和埠號。
  2. 第 2 階段：傳輸資料。
  3. 第 3 階段：刪除 UDP 套接字中註冊的目標地址資訊。

其實需要頻繁傳送，那第一階段和第三階段是重複多餘的，所以可以使用 已連線（connect）UDP 套接字。

建立已連線 UDP 套接字：

  • 注意：這裡的已連線並不是與對端建立連線，而是繫結目標埠到 UDP socket 中，後面呼叫 sendto() 就不用執行①、③步了。
sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
memset(&adr, 0, sizeof(adr));
adr.sin_family = AF_INET;
adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr));

小知識：

  • UDP 是可以使用 bind() 函式的，主要是配置本地IP和埠號。若不適用，則由系統隨機分配。
  • UDP 是可以使用 connect() 函式的，主要是配置遠端IP和埠號。若不使用，則每次呼叫 sendto() 函式時都要設定、刪除遠端IP和埠號，耗時。

參考

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