2024-02-29-Linux高级网络编程(2-UDP编程)

合集 - 物联网(25)

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21.2024-02-29-Linux高级网络编程(2-UDP编程)2024-02-29

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收起

2. UDP编程

2.1 字节序概述

字节序是指多字节数据的存储顺序

分类：

1. 小端格式：将低位字节数据存储在低地址（LSB)
2. 大端格式：将高位字节数据存储在低地址

2.1.1 如何判断当前系统的字节序

#include <stdio.h>
union un
{
    /* data */
    int a;
    char b;
};
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    union un myun;
    myun.a = 0x12345678;
    printf("a = %#x\n", myun.a);
    printf("b = %#x\n", myun.b);
    if (myun.b == 0x78)
    {
        printf("小端对齐\n");
    }
    else
    {
        printf("大端对齐\n");
    }
 
    return 0;
}

输出结果

a = 0x12345678
b = 0x78
小端对齐

2.1.2 字节序转换函数

特点

1. 网络协议指定了通讯字节序大端
2. 只有在多字节数据处理时才需要考虑字节序
3. 运行在同一台计算机上的进程相互通信时，一般不用考虑字节序
4. 异构计算机之间通讯，需要转换自己的字节序为网络字节序

在需要字节序转换的时候一般调用特定字节序转换函数

host -> network
    1. htonl
    #include <arpa/inet.h>
    uint32_t htonl(uint32_t hostint32)
    功能：将32位主机字节序数据转换成网络字节序数据
    参数：
    	hostint32: 待转换的32位主机字节序数据;
	返回值：
        成功：返回网络字节序的值
        
    2. htons
    #include <arpa/inet.h>
    uint16_t htons(uint16_t hostint16);
	功能:
    	将16位主机字节序数据转换成网络字节序数据;
	参数:	
    	uint16_t: unsigned short int
        hostint16: 待转换的16位主机字节序数据;
	返回值:
    	成功:
			返回网络字节序的值

networl -> host
    3. ntohl
    #include <arpa/inet.h>
    uint32_t ntohl(uint32_t netint32);
	功能:
 		将32位网络字节序数据转换成主机字节序数据
    参数:
    	uint32_t: unsigned int 
         netint32: 待转换的32位网络字节序数据;
	返回值:
        成功:
            返回主机字节序的值
                
    4. ntohs
       uint16_t ntohs(uint16_t netint16);
	功能:
        将16位网络字节序数据转换成主机字节序数据;
	参数:
        uint16_t: unsigned short   int
        netint16:待转换的16位网络字节序数据
        返回值:
        	成功:返回主机字节序的值 

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a = 0x12345678;
    short b = 0x1234;
    // ubuntu中以小端存储，转换后变成大端存储，以字节进行操作
    printf("%#x\n", htonl(a));
    printf("%#x\n", htons(b));
    return 0;
}

输出结果

0x78563412
0x3412

2.1.3 地址转换函数 - inet_pton、inet_ntop

人为识别的ip地址是点分十进制的字符串形式，但是计算机网络中识别的ip地址是整型数据。

// 字符串ip地址转换型数据
#include <arpa/inet.p>
int inet_pton(int family,const char *strptr,void *addrptr)
功能:将点分十进制数串转换成 32 位无符号整数
参数:
	family：  协议族
	strptr：  点分十进制数串 
     addrptr： 32 位无符号整数的地址；
返回值:
	成功: 1;
	失败: 非1

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
    char ip_str[] = "192.168.3.103";
    unsigned int ip_int = 0;
    unsigned char *ip_p = NULL;
 
    // 将点分十进制ip地址转化为32位无符号整形数据
    inet_pton(AF_INET, ip_str, &ip_int);
    printf("ip int = %d\n", ip_int);
    
    ip_p = (char *)&ip_int;
    printf("in_uint = %d,%d,%d,%d\n", *ip_p, *(ip_p + 1), *(ip_p + 2), *(ip_p + 3));
    return 0;
}
 

输出结果

ip int = 1728293056
in_uint = 192,168,3,103

// 整型数据转字符串格式ip 地址
const char *inet_ntop(int family, const void *addrptr,char *strptr,size_t len)
功能: 将 32 位无符号整数转换成点分十进制数串;
参数:
	 family:协议族 ：AF_INET // ipv4
	 addrptr:32 位无符号整数
	 strptr:点分十进制数串
     len :strptr 缓存区长度
    	len的宏定义 :
			#define INET_ADDRSTRLEN 16 // ipv4
			#define INET_ADDRSTRLEN 46 // ipv6
返回值：
    成功：返回字符串首地址
    失败：返回NULL

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
    unsigned char ip_int[] = {192, 168, 3, 103};
    char ip_str[16] = "";
    inet_ntop(AF_INET, &ip_int, ip_str, 16);
    printf("ip_s =%s\n", ip_str);
    return 0;
}

输出结果

ip_s =192.168.3.103

inet_addr()和inet_ntoa()

这两个函数只能用在ipv4地址的转换，且用的比较多

#include<sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
 
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能:将点分十进制ip地址转化为整形数据;
参数:
	cp:点分十进制的IP地址
返回值:
	成功:整形数据;
 
 
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能:将整形数据转化为点分十进制的ip地址;
参数:
	in:保存ip地址的结构体;
返回值:
	成功: 点分十进制的IP地址

2.2 UDP介绍、编程流程

2.2.1 UDP介绍

UDP 协议
面向无连接的用户数据报协议，在传输数据前不需要先建立连接:目地主机的运输层收到UDP 报文后，不需要给出任何确认

UDP 特点

1. 相比 TCP 速度稍快些
2. 简单的请求/应答应用程序可以使用 UDP
3. 对于海量数据传输不应该使用 UDP
4. 广播和多播应用必须使用 UDP

UDP 应用
DNS(域名解析)、NFS(网络文件系统)、RTP(流媒体)等

2.2.2 网络编程接口 socket

网络通信要解决的是不同主机进程间的通信

1. 首要问题是网络间进程标识问题
2. 多重协议的识别问题

​ 20 世纪 80 年代初，加州大学 Berkeley 分校在 BSD(一个 UNIX OS 版本)系统内实现了 TCP/IP 协议，其网络程序编程开发接口为 socket。

​ 随着 UNIX 以及类 UNIX 操作系统的广泛应用， socket 成为最流行的网络程序开发接口。

socket作用：提供不同主机之间的通信

socket特点：

1. socket 也称“套接字”
2. 是一种文件描述符，代表了一个通信管道的一个端点
3. 类似对文件的操作一样，可以使用 read、write、close 等函数对 socket套接字进行网络数据的收取和发送等操作
4. 得到 socket 套接字(描述符)的方法调用 socket()

socket分类：

1. SOCK_STREAM，流式套接字，用于TCP
2. SOCK_DGRAM，数据报套接字，用于UDP
3. SOCK_RAW，原始套接字，对于其他层次的协议操作时需要使用这个类型
4. ....

2.2.3 UDP编程C/S架构

服务器：

1. 创建套接字 socket();
2. 将服务器的ip地址、端口号与套接字进行绑定 bind();
3. 接受数据 recvfrom();
4. 发送数据 sendto()

客户端

1. 创建套接字 socket();
2. 发送数据 sendto();
3. 接收数据 recvfrom();
4. 关闭套接字 close();

2.3 UDP编程-创建套接字

2.3.1 创建套接字socket

#include <sys/socket.h>
int socket(int family int type,int protocol);
功能：创建一个用于网络通信的socket套接字;
参数：
    family: 协议族（AF_INET,AF_INET6,PF_PACKET等）;
	type: 套接字类（SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM,SOCK_RAW等）;
	protocol:协议类别（0，IPPROTO_TCP,IPPROTO_UDP等）
    
返回值:
	套接字
特点:
	创建套接字时，系统不会分配端口;
	创建的套接字默认属性是主动的，即主动发起服务的请求;
	当作为服务器时，往往需要修改为被动的

2.3.2 案例

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)
    {
        perror("FAIL TO SOCKET");
        exit(1);
    }
    printf("socketfd = %d\n", sockfd);
    return 0;
}

输出结果

socketfd = 3

2.4 UDP编程-发送、绑定、接收数据

2.4.1 IPV4套接字地址结构

在网络编程中经常使用的结构体sockaddr_in

#include <netinet/in.h>
struct in_addr{
    in_addr_t s_addr;//4字节
}
 
struct sockaddr_in{
    sa_family_t sin_family;//协议族，2字节
    in_port_t sin_port;//端口号，2字节
    struct in_addr sin_addr;//ip地址，4字节
    char sin_zero[8]//填充，8字节
}
 

通用结构体sockaddr

struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family; // 2字节
    char sa_data[14]; // 14字节
}

为了使不同格式地址能被传入套接字函数,地址须要强制转换成通用套接字地址结构，原因是因为不同场合所使用的结构体不一样。但是调用的函数却是同一个，所以定义一个通用结构体，当在指定场合使用时，在根据要求传入指定的结构体即可。

2.4.2 发送数据 - sendto函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);.
功能: 向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据;
参数:
	sockfd: 套接字
	buf: 发送数据缓冲区
	nbytes: 发送数据缓冲区的大小
	flags: 一般为 0阻塞，MSG_DONT_WAIT非阻塞
	to: 指向目的主机地址结构体的指针;
	addrlen: dest_addr的长度;
注意：
    通过 to 和 addren 确定目的地址；
    可以发送0长度的 UDP 数据包；
返回值：
    成功：返回实际发送的字节数
    失败：返回-1

2.4.3 绑定函数 - bind函数

UDP网络程序想要收取数据需什么条件?
确定的ip地址，确定的port
怎样完成上面的条件呢?
接收端使用bind函数，来完成地址结构与socket套接字的绑定，这样ip、port就固定了发送端在sendto函数中指定接收端的ip、port，就可以发送数据了 。

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
功能:将套接字与网络信息结构体绑定;
参数:
	sockfd:文件描述符，socket的返回值;
	addr:网络信息结构体
			通用结构体(一般不用)struct sockaddr
		 网络信息结构体 sockaddr_in
        	#include <netinet/in.h>
             struct sockaddr_in
	addrlen: addr的长度
返回值:
	成功:0
	失败:-1

2.4.4 接收数据

#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:接收数据
参数:
	sockfd:文件描述符，socket的返回值
	buf: 保存接收的数据
	len: buf的长度
	flags: 标志位
		  0 阻塞
		  MSG_DONTWAIT 非阻塞
    src_addr: 源的网络信息结构体(自动填充，定义变量传参即可)
    addrlen: src_addr的长度
返回值:
	成功:0
	失败:-1        

2.5 UDP编程-Client、Server

2.5.1 UDP客户端注意点

1、本地IP、本地端口(我是谁)
2、目的IP、目的端口(发给谁)
3、在客户端的代码中，只设置了目的IP、目的端口

​ 客户端的本地ip、本地port是我们调用sendto的时候linux系统底层自动给客户端分配的；分配端口的方式为随机分配，即每次运行系统给的port不一样

2.5.2 UDP服务器注意点

1. 服务器之所以要 bind 是因为它的本地 port 需要是固定，而不是随机的
2. 服务器也可以主动地给客户端发送数据
3. 客户端也可以用 bind，这样客户端的本地端口就是固定的了，但一般不这样做

client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
 
#define BUF_SIZE 1024
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 12345
 
int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    socklen_t server_addr_len;
    char buffer[BUF_SIZE];
 
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
 
    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    server_addr_len = sizeof(server_addr);
 
    while (1) {
        printf("Enter a message to send (or 'q' to quit): ");
        fgets(buffer, BUF_SIZE, stdin);
 
        // 发送数据
        if (sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len) == -1) {
            perror("sendto");
            exit(1);
        }
 
        // 退出条件
        if (buffer[0] == 'q' && (buffer[1] == '\n' || buffer[1] == '\0')) {
            break;
        }
 
        // 接收回复
        int recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, NULL, NULL);
        if (recv_len == -1) {
            perror("recvfrom");
            exit(1);
        }
 
        // 打印回复
        buffer[recv_len] = '\0';
        printf("Received reply from server: %s\n", buffer);
    }
 
    // 关闭套接字
    close(sockfd);
 
    return 0;
}

server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
 
#define BUF_SIZE 1024
#define PORT 12345
 
int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len;
    char buffer[BUF_SIZE];
 
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
 
    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
 
    // 绑定套接字到服务器地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
 
    printf("UDP server is running and listening on port %d...\n", PORT);
 
    while (1) {
        // 接收数据
        client_addr_len = sizeof(client_addr);
        int recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        if (recv_len == -1) {
            perror("recvfrom");
            exit(1);
        }
 
        // 打印接收到的数据
        buffer[recv_len] = '\0';
        printf("Received message from client: %s\n", buffer);
 
        // 发送回复
        if (sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len) == -1) {
            perror("sendto");
            exit(1);
        }
        printf("Sent reply to client: %s\n", buffer);
    }
 
    // 关闭套接字
    close(sockfd);
 
    return 0;
}