通信编程：UDP 套接字和广播通信

目录

• UDP 套接字
  • 工作流程
  • 数据收发
  • 程序编写
  • 功能设计
    • initsock.h
    • 服务器
    • 客户端
  • 运行效果
• 广播通信
  • 广播
  • 广播模式设置
  • 代码编写
    • 功能设计
    • initsock.h
    • Sender
    • Recver
  • 运行效果
• 参考资料

UDP 套接字

工作流程

UDP 用户数据报协议提供的是无连接的、不可靠的数据传输服务，但是不需要像 TCP 那样建立连接，所以传输效率高。

数据收发

UDP 使用的发送数据的函数是 sendto()，比较不同的是发送数据时需要填写接收方的地址。

int
WSAAPI
sendto(
    _In_ SOCKET s,
    _In_reads_bytes_(len) const char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags,
    _In_reads_bytes_(tolen) const struct sockaddr FAR * to,
    _In_ int tolen
    );

接收数据的函数是 recvfrom()，接收数据时需要把发送方的地址存出来。

int
WSAAPI
recvfrom(
    _In_ SOCKET s,
    _Out_writes_bytes_to_(len, return) __out_data_source(NETWORK) char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags,
    _Out_writes_bytes_to_opt_(*fromlen, *fromlen) struct sockaddr FAR * from,
    _Inout_opt_ int FAR * fromlen
    );

sendto() 和 recvfrom() 的参数相似：

参数	说明
s	用来发送数据的套接字
buf	指向发送数据的缓冲区
len	要发送数据的长度
flags	一般指定为 0
to/from	指向一个包含目标地址和端口号的 sockaddr in 结构
tolen/fromlen	sockaddr in 结构的大小

程序编写

功能设计

模拟实现 TCP 协议通信过程，要求编程实现服务器端与客户端之间双向数据传递。也就是在一条 TCP 连接中，客户端和服务器相互发送一条数据即可。

initsock.h

#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到 WS2_32.lib

class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的构造器*/
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        // 初始化WS2_32.dll
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }

    /*CInitSock 的析构器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

服务器

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << "Failed socket()" << endl;
        return 0;
    }

    // 填充sockaddr_in结构
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(4567);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定这个套接字到一个本地地址
    if (::bind(s, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << "Failed bind()" << endl;
        return 0;
    }

    cout << "服务端已启动！\n" << endl;

    // 进入循环
    char buff[1024];
    sockaddr_in addr;
    int nLen = sizeof(addr);
    while (TRUE)
    {
        //接收数据
        int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&addr, &nLen);
        if (nRecv > 0)
        {
            buff[nRecv] = '\0';
            cout << " 接收到" << ::inet_ntoa(addr.sin_addr) << "的数据：" << buff << endl;
        }

        // 发送数据
        char szText[] = "你好，客户端！";
        ::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    }
    ::closesocket(s);
}

客户端

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed socket() %d \n", ::WSAGetLastError());
        return 0;
    }

    // 也可以在这里调用bind函数绑定一个本地地址
    // 否则系统将会自动安排

    // 填写远程地址信息
    sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(4567);
    //填写服务器程序所在机器的IP地址
    addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 发送数据
    char szText[] = "你好，服务器！";
    ::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    
    char buff[1024];
    sockaddr_in client_addr;
    int nLen = sizeof(client_addr);
    int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&client_addr, &nLen);
    if (nRecv > 0)
    {
        buff[nRecv] = '\0';
        cout << "  接收到" << ::inet_ntoa(client_addr.sin_addr) << "的数据：" << buff << endl;
    }

    ::closesocket(s);
    return 0;
}

运行效果

广播通信

广播

利用广播（broadcast）可以将数据发送给本地子网上的每个机器，同时需要有一些线程在机器上监听到来的数据。广播的缺点是如果多个进程都发送广播数据，网络就会阻塞，网络性能便会受到影响。

广播模式设置

套接字创建之后，可以使用套接字选项和 ioctl 命令操作它的属性，以改变套接字的默认行为。I/O 控制命令缩写为 ioctl，它也影响套接字的行为，获取和设置套接字选项的函数分别是 getsockopt 和 setsockopt，函数调用出错时返回 SOCKET ERROR。

int
WSAAPI
setsockopt(
    _In_ SOCKET s,
    _In_ int level,
    _In_ int optname,
    _In_reads_bytes_opt_(optlen) const char FAR * optval,
    _In_ int optlen
    );

int WSAAPI getsockopt(_In_ SOCKET s, _In_ int level, _In_ int optname, _In_reads_bytes_opt_(optlen) const char FAR * optval, _In_ int optlen);

参数	说明
s	套接字句柄
level	指定此选项被定义在哪个级别，如 SOL SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP 等
optname	套接字选项名称，如 SO ACCEPTCONN
optval	指定一个缓冲区，所请求的选项的值将会被返回到这里
optlen	指定上面 optval 所指缓冲区的大小，返回所需的大小

SOBROADCAST 选项设置套接字传输和接收广播消息，如果给定套接字已经被设置为接收或者发送广播数据，查询此套接字选项将返回TRUE，此选项对于那些不是SOCK_STREAM类型的套接字有效。

::setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&bBroadcast, sizeof(BOOL));

代码编写

功能设计

实现服务器端与客户端之间广播数据传递，服务器端向所有客户端发送“今天是个好日子！”广播消息，客户端收到并在本地显示。

initsock.h

#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到 WS2_32.lib

class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的构造器*/
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        // 初始化WS2_32.dll
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }

    /*CInitSock 的析构器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

Sender

对于 UDP 来说存在一个特定的广播地址 255.255.255.255，广播数据都应该发送到这里。发送方程序在创建套接字后使用 setsockopt 函数打开 SO_BROADCAST选项，然后设置广播地址 255.255.255.255，使用 sendto 函数向端口号 54321 不断发送广播数据。

#include "initsock.h"
#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

CInitSock theSock;

int main()
{
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 有效SO_BROADCAST选项
    BOOL bBroadcast = TRUE;
    ::setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char*)&bBroadcast, sizeof(BOOL));

    // 设置广播地址和广播端口号
    SOCKADDR_IN bcast;
    bcast.sin_family = AF_INET;
    bcast.sin_port = htons(54321);
    bcast.sin_addr.s_addr = INADDR_BROADCAST;

    // 发送广播
    cout << "  开始向端口发送广播数据... \n" << endl;
    char sz[] = "今天是个好日子！ \r\n";
    while (TRUE)
    {
        time_t now = time(0);    // 基于当前系统的当前日期/时间
        char* dt = ctime(&now);
        ::sendto(s, sz, strlen(sz), 0, (sockaddr*)&bcast, sizeof(bcast));
        cout << dt << "发送广播：" << sz << endl;
        ::Sleep(5000);
    }
    return 0;
}

Recver

服务器需要使用 recvfrom 函数，向端口号 54321 接收广播数据。

#include "initsock.h"
#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

CInitSock theSock;

int main()
{
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 首先要绑定一个本地地址，指明广播端口号
    SOCKADDR_IN sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(54321);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
    if (::bind(s, (sockaddr*)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << " bind() failed!" << endl;
        return 0;
    }

    // 接收广播
    cout << "  开始在端口接收广播数据... \n" << endl;
    SOCKADDR_IN addrRemote;
    int nLen = sizeof(addrRemote);
    char sz[256];
    while (TRUE)
    {
        int nRet = ::recvfrom(s, sz, 256, 0, (sockaddr*)&addrRemote, &nLen);
        if (nRet > 0)
        {
            sz[nRet] = '\0';
            time_t now = time(0);    // 基于当前系统的当前日期/时间
            char* dt = ctime(&now);
            cout << dt << "接收到广播：" << sz << endl;
        }
    }
    return 0;
}

运行效果

参考资料

《Windows 网络与通信编程》，陈香凝 王烨阳 陈婷婷 张铮 编著，人民邮电出版社