Qt - UDP网络编程

1. QUdpSocket（通信套接字）

UDP（User Datagram Protocol,用户数据报协议）

UDP是一个轻量级、不可靠、面向数据报的、无连接的协议，多用于可靠性要求不严格，不是非常重要的传输。

QUdpSocket类继承自QAbstractSocket，用来发送和接收UDP数据报，”Socket”即套接字，套接字即IP地址+端口号。其中IP地址指定了网络中的一台主机，二端口号则指定了该主机上的一个网络程序，使用套接字即可实现网络上的两个应用程序之间的通信。

QUdpSocket支持IPv4广播，要广播数据报，则只需发送到一个特殊的地址QHostAddress::Broadcast(即255.255.255.255)，数据报一般建议发送字节数小于512字节。端口号选择1024-65535（1024以下的常用作保留端口号，如FTP常用端口号21，Telnet常用端口号23，DNS域名服务器常用端口53等）。

 

1.1 信号

无

 

1.2 公有函数

函数	描述
bool hasPendingDatagrams() const	如果至少有一个数据报等待读取，则返回true;否则返回false。
bool joinMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress)	加入操作系统选择的默认接口上groupAddress指定的组播组。套接字必须处于BoundState状态，否则会发生错误。
bool joinMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface)	这是一个重载函数。在接口上加入组播组地址groupAddress。
bool leaveMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress)	在操作系统选择的默认接口上离开groupAddress指定的组播组。套接字必须处于BoundState状态，否则会发生错误。
bool leaveMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface)	这是一个重载函数。离开接口上指定groupAddress的组播组。
QNetworkInterface multicastInterface() const	返回多播数据报的出接口。这对应于IPv4套接字的IP_MULTICAST_IF套接字选项和IPv6套接字的IPV6_MULTICAST_IF套接字选项。如果之前没有设置接口，这个函数将返回一个无效的qnetworkinterface。套接字必须处于BoundState状态，否则返回无效的QNetworkInterface。
qint64 pendingDatagramSize() const	返回第一个挂起的UDP数据报的大小。如果没有可用的数据报，这个函数返回-1。
qint64 readDatagram(char *data, qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)	接收不大于maxSize字节的数据报，并将其存储在数据中。发送方的主机地址和端口存储在address和port中(除非指针是0)。成功返回数据报的大小;否则返回1。
QNetworkDatagram receiveDatagram(qint64 maxSize = -1)	接收一个不大于maxSize字节的数据报，并在QNetworkDatagram对象中返回它，以及发送者的主机地址和端口。如果可能，该函数还将尝试确定数据报的目的地址、端口和接收时的跳数。
void setMulticastInterface(const QNetworkInterface &iface)	将组播数据报的出接口设置为当前接口。这对应于IPv4套接字的IP_MULTICAST_IF套接字选项和IPv6套接字的IPV6_MULTICAST_IF套接字选项。套接字必须处于BoundState状态，否则此函数不执行任何操作。
qint64 writeDatagram(const char *data, qint64 size, const QHostAddress &address, quint16 port)	将大小为size的数据报发送到端口上的主机地址。返回成功发送的字节数;否则返回1。
qint64 writeDatagram(const QByteArray &datagram, const QHostAddress &host, quint16 port)	这是一个重载函数。将数据报发送到主机地址和端口。

•从QAbstractSocket继承了37个公共函数,上面有写QAbstractSocket的公有函数

 

1.3 发送与接收函数

QUdpSocket对于发送数据报文提供了三个重载函数：

qint64 writeDatagram(const char *data, qint64 size, const QHostAddress &address, quint16 port)//将大小为size的数据报发送到端口上的主机地址。返回成功发送的字节数;否则返回1。
qint64 writeDatagram(const QNetworkDatagram &datagram)
qint64 writeDatagram(const QByteArray &datagram, const QHostAddress &host, quint16 port)

 

接收消息需要使用Qudpsocket提供的以下函数：

qint64 pendingDatagramSize() const
qint64 readDatagram(char *data, qint64 maxSize, QHostAddress *address = Q_NULLPTR, quint16 *port = Q_NULLPTR)//接收不大于maxSize字节的数据报，并将其存储在数据中。发送方的主机地址和端口存储在address和port中(除非指针是0)。成功返回数据报的大小;否则返回1。
QNetworkDatagram receiveDatagram(qint64 maxSize = -1)

 

1.4 UDP通信流程

 

2. UDP消息传送的三种模式

单播模式（unicast）：一个UDP客户端发送数据报到指定地址和端口的另一UDP客户端，是一对一的数据传输。

组播模式（multicast）：UDP客户端加入到另一个组播IP地址的多播组，成员向组播地址发送的数据报，其加入组播的所有成员都可以接收到，类似于QQ群功能。QUdpSocket::joinMulticastGroup()函数实现加入多播组的功能。

广播模式（broadcast）：一个UDP客户端发出的数据报，在同一网络范围内其他所有的UDP客户端都可以收到。QUdpSocket支持IPv4广播。需要在数据报中指定接收端地址为QHostAddress::Broadcast，一般的广播地址是255.255.255.255。

在单播、广播和多播模式下，UDP程序都是对等的，不像TCP通信分为客户端和服务端。
TCP通信只有单播模式。UDP通信虽然不能保证数据传输的准确性，但是具有灵活性，一般的即时通信软件都是基于UDP通信的。

QUdpSocket也支持UDP组播。 使用joinMulticastGroup()和leaveMulticastGroup()控制组成员，使用QAbstractSocket::MulticastTtlOption和QAbstractSocket::MulticastLoopbackOption设置TTL和loopback套接字选项。 使用setMulticastInterface()控制组播数据报的出接口，使用multicastInterface()查询出接口。

使用QUdpSocket，您还可以使用connectToHost()建立到UDP服务器的虚拟连接，然后使用read()和write()交换数据报，而不需要为每个数据报指定接收者。

Broadcast Sender、Broadcast Receiver、Multicast Sender和Multicast Receiver示例演示了如何在应用程序中使用QUdpSocket。

 

2.1 UDP单播

单播（Unicast）是在一个单个的发送者和一个接受者之间通过网络进行的通信。

 

• 发送端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>

class UnicastSender:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    UnicastSender(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有正在发送的数据报");
        sendBtn = new QPushButton("发送数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);
        vlayout->addWidget(sendBtn);

        initSocket();

        connect(sendBtn,&QPushButton::released,this,&UnicastSender::sendDatagram);
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //不需要连接到服务器
    }
    void sendDatagram()
    {
        QByteArray datagram = "数据报:"+QByteArray::number(messageNo);
        //发送数据，需要指定ip地址和端口号
        udpSoket->writeDatagram(datagram,QHostAddress::LocalHost /*QHostAddress("81.70.201.21")*/,8888);
        messageNo++;
    }
private:
    QLabel * statusLab;
    QPushButton* sendBtn;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    UnicastSender sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

 

• 接受端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>
class UnicastRecevier:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    UnicastRecevier(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有接受到数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);

        initSocket();
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //接收者需要绑定ip地址和端口号
        udpSoket->bind(QHostAddress::LocalHost/*QHostAddress("81.70.201.21")*/,8888);
        connect(udpSoket,&QUdpSocket::readyRead,this,&UnicastRecevier::onReadyread);
    }
    void onReadyread()
    {
        QByteArray datagram;
        QHostAddress host;
        quint16 port;
        //读取数据
        while(udpSoket->hasPendingDatagrams())
        {
            //获取一下下一个数据报的大小
            datagram.resize(udpSoket->pendingDatagramSize());
            //接受
            udpSoket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&host,&port);
            //显示
            statusLab->setText(host.toString() +":"+ QString::number(port) +datagram);
        }
    }

private:
    QLabel * statusLab;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    UnicastRecevier sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

 

2.2 UDP多播

多播(Multicast)是一点对多点的通信，IPv6没有采用IPv4中的组播术语，而是将广播看成是多播的一个特殊例子。

多播与单播步骤是一样的，只有IP地址有所区别。

多播的地址是特定的，D类地址用于多播。D类IP地址就是多播IP地址，即224.0.0.0至239.255.255.255之间的IP地址，并被划分为局部连接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址3类：

• 1，局部多播地址：在224.0.0.0～224.0.0.255之间，这是为路由协议和其他用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包

• 2，预留多播地址：在224.0.1.0～238.255.255.255之间，可用于全球范围（如Internet）或网络协议。

• 3，管理权限多播地址：在239.0.0.0～239.255.255.255之间，可供组织内部使用，类似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范围。

多播的程序设计使用setsockopt()函数和getsockopt()函数来实现，组播的选项是IP层的，其选项值和含义参见11.5所示。

选项	描述
IP_MULTICAST_TTL	设置多播组数据的TTL值
IP_ADD_MEMBERSHIP	在指定接口上加入组播组
IP_DROP_MEMBERSHIP	退出组播组
IP_MULTICAST_IF	获取默认接口或设置接口
IP_MULTICAST_LOOP	禁止组播数据回送

多播程序设计的框架

要进行多播的编程，需要遵从一定的编程框架。多播程序框架主要包含套接字初始化、设置多播超时时间、加入多播组、发送数据、接收数据以及从多播组中离开几个方面。其步骤如下：

（1）建立一个socket。

（2）然后设置多播的参数，例如超时时间TTL、本地回环许可LOOP等。

（3）加入多播组。

（4）发送和接收数据。

（5）从多播组离开。

• 发送端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>

class MulticastSender:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    MulticastSender(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有正在发送的数据报");
        sendBtn = new QPushButton("发送数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);
        vlayout->addWidget(sendBtn);

        initSocket();

        connect(sendBtn,&QPushButton::released,this,&MulticastSender::sendDatagram);
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //不需要连接到服务器
    }
    void sendDatagram()
    {
        QByteArray datagram = "数据报:"+QByteArray::number(messageNo);
        //发送数据，需要指定ip地址和端口号，组播ip地址范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255
        udpSoket->writeDatagram(datagram,QHostAddress("239.255.255.255"),8887);
        messageNo++;
    }
private:
    QLabel * statusLab;
    QPushButton* sendBtn;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    MulticastSender sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

 

• 接受端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>

class MulticastRecevier:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    MulticastRecevier(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有接受到数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);

        initSocket();
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //接收者需要绑定ip地址和端口号,允许端口和ip重用，多个socket绑定同一ip和端口
        udpSoket->bind(QHostAddress::AnyIPv4,8887,QUdpSocket::BindFlag::ShareAddress | QUdpSocket::BindFlag::ReuseAddressHint);
        //多播是分组的，加入一个指定组
        udpSoket->joinMulticastGroup(QHostAddress("239.255.255.255"));

        connect(udpSoket,&QUdpSocket::readyRead,this,&MulticastRecevier::onReadyread);
    }
    void onReadyread()
    {
        QByteArray datagram;
        QHostAddress host;
        quint16 port;
        //读取数据
        while(udpSoket->hasPendingDatagrams())//hasPendingDatagrams()如果至少有一个数据报等待读取，则返回true;
        {
            //获取一下下一个数据报的大小
            datagram.resize(udpSoket->pendingDatagramSize());//pendingDatagramSize()返回第一个挂起的UDP数据报的大小。
            //接受
            udpSoket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&host,&port);
            //显示
            statusLab->setText(host.toString() +":"+ QString::number(port) +datagram);
        }
    }

private:
    QLabel * statusLab;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    MulticastRecevier sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

测试效果：

 

2.3 UDP广播

广播(broadcast)是一点到所有点的通信方式。

广播与组播是一样的，只是ip地址有所不同，而且不用加入指定的组。单播的数据只是收发数据的特定主机进行处理，组播在特定组之间进行处理，而广播的数据整个局域网都进行处理。

“广播”可以理解为一个人通过广播喇叭对在场的全体说话，这样做的好处是通话效率高，信息一下子就可以传递到全体。

“广播”在网络中的应用较多，如客户机通过DHCP自动获得IP地址的过程就是通过广播来实现的。但是同单播和多播相比，广播几乎占用了子网内网络的所有带宽。拿开会打一个比方吧，在会场上只能有一个人发言，想象一下如果所有的人同时都用麦克风发言，那会场上就会乱成一锅粥。

在IP网络中，广播地址用IP地址“255.255.255.255”来表示，这个IP地址代表同一子网内所有的IP地址。

 

• 发送端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>

class BroadcastSender:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    BroadcastSender(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有正在发送的数据报");
        sendBtn = new QPushButton("发送数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);
        vlayout->addWidget(sendBtn);

        initSocket();

        connect(sendBtn,&QPushButton::released,this,&BroadcastSender::sendDatagram);
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //不需要连接到服务器
    }
    void sendDatagram()
    {
        QByteArray datagram = "数据报:"+QByteArray::number(messageNo);
        //发送数据，需要指定ip地址和端口号
        udpSoket->writeDatagram(datagram,QHostAddress::Broadcast,8886);
        messageNo++;
    }
private:
    QLabel * statusLab;
    QPushButton* sendBtn;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    BroadcastSender sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

 

• 接受端：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>
#include <QUdpSocket>

class BroadcastRecevier:public QWidget
{
    Q_OBJECT
public:
    BroadcastRecevier(QWidget*parent = nullptr)
    {
        resize(300,100);
        statusLab = new QLabel("没有接受到数据");
        auto vlayout = new QVBoxLayout(this);
        vlayout->addWidget(statusLab);

        initSocket();
    }
    void initSocket()
    {
        udpSoket = new QUdpSocket(this);
        //接收者需要绑定ip地址和端口号
        udpSoket->bind(QHostAddress::Any,8886,QUdpSocket::BindFlag::ShareAddress | QUdpSocket::BindFlag::ReuseAddressHint);

        connect(udpSoket,&QUdpSocket::readyRead,this,&BroadcastRecevier::onReadyread);
    }
    void onReadyread()
    {
        QByteArray datagram;
        QHostAddress host;
        quint16 port;
        //读取数据
        while(udpSoket->hasPendingDatagrams())//hasPendingDatagrams()如果至少有一个数据报等待读取，则返回true;
        {
            //获取一下下一个数据报的大小
            datagram.resize(udpSoket->pendingDatagramSize());//pendingDatagramSize()返回第一个挂起的UDP数据报的大小。
            //接受
            udpSoket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&host,&port);
            //显示
            statusLab->setText(host.toString() +":"+ QString::number(port) +datagram);
        }
    }
private:
    QLabel * statusLab;
    int messageNo = 0;
    QUdpSocket *udpSoket;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    BroadcastRecevier sender;
    sender.show();

    return a.exec();
}

//包含moc文件
#include"main.moc"

 

测试效果：