07.UDP 数据收发实战、深入UDP 数据收发

约 2496 字大约 8 分钟

嵌入式NETLinux单片机

2022-06-14

15、UDP 数据收发实战

① 再论UDP协议

UDP是无连接的(不可靠的，无应答消息，数据包无序号标识)
UDP是面向数据包的，对应用层数据既不合并也不拆分（保留数据包边界，不粘包）
UDP没有拥塞控制，网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低
UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
UDP消息头开销小，只有8个字节(TCP消息头共20个字节)
UDP相比较TCP更高效，牺牲效率

② UDP和IP的区别

UDP是建立于IP之上的数据传输协议
- IP负责将UDP数据包从源主机传输到目标主机
- UDP则将应用层数据投递到目标socket(端口号)（socket和端口号通过bind函数绑定）
UDP几乎完整“继承”了IP传输的特性（不能缺少传输层，UDP应运而生）
- 通信两端无交互，无流控，无超时重发，不具备可靠性
- ····应用层(应用数据) ==> 传输层(TCP(深度定制)、UDP(轻度定制)) ==> IP层(IP)

③ UDP数据收发

④ UDP编程模式

⑤ UDP数据收发

⑥ 编程实验：UDP数据收发

client.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in addr = {0};
    struct sockaddr_in remote = {0};
    int len = 0;
    char buf[128] = {0};
    char input[32] = {0};
    int r = 0;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( sock == -1 )
    {
        printf("socket error\n");
        return -1;
    }

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addr.sin_port = htons(9999);

    if( bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1 )
    {
        printf("udp bind error\n");
        return -1;
    }

    remote.sin_family = AF_INET;
    remote.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    remote.sin_port = htons(8888);

    while( 1 )
    {
        printf("Input: ");

        scanf("%s", input);

        len = sizeof(remote);

        sendto(sock, input, strlen(input), 0, (struct sockaddr*)&remote, len);

        r = recvfrom(sock, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&remote, &len);

        if( r > 0 )
        {
            buf[r] = 0;
            
            printf("Receive: %s\n", buf);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    close(sock);

    return 0;
}

server.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int server = 0;
    struct sockaddr_in saddr = {0};
    int client = 0;
    struct sockaddr_in remote = {0};
    socklen_t asize = 0;
    int len = 0;
    char buf[32] = {0};
    int r = 0;

    server = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( server == -1 )
    {
        printf("server socket error\n");
        return -1;
    }

    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    saddr.sin_port = htons(8888);

    if( bind(server, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) == -1 )
    {
        printf("udp server bind error\n");
        return -1;
    }

    printf("udp server start success\n");

    while( 1 )
    {
        len = sizeof(remote);

        r = recvfrom(server, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&remote, &len);

        buf[r] = 0;

        printf("r = %d\n", r);
        printf("buf = %s\n", buf);
        printf("remote ip = %s\n", inet_ntoa(remote.sin_addr));
        printf("remote port = %d\n", ntohs(remote.sin_port));

        sendto(server, buf, r, 0, (struct sockaddr*)&remote, len);
    }
    
    close(server);

    return 0;
}

16、深入UDP 数据收发（上）

① 问题：如何进行一对多的UDP数据发送?

② UDP通信中的广播

广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法
广播类型
- 直接广播：IP地址中除网络地址外，其余主机地址均设置为1（eg：192.168.1.255【网络地址主机地址】）
- 本地广播：无需知道网络地址，使用255.255.255.255作为IP地址使用
区别：
- 本地广播数据不经过路由器寻址，直接发送到本地主机

③ 本地广播应用案例：DHCP

DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议（基于UDP协议）
- 本地主机可自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码
DHCP采用客户端/服务器模型，地址的动态分配由网络主机驱动
工作方式：
- 当DHCP服务器接收到来自网络主机的地址申请时，会向网络主机发送相关的地址配置信息，以实现网络主机地址信息的动态配置

④ 预备工作 -> socket属性设置(option)

socket的本质是对本机网络资源的一种标识
socket本身有各种属性（不同的连接，属性可能不同）
通过 setsockopt() /getsockopt() 可存取指定socket的属性值
socket属性的改变可造成socket数据收发行为的改变

⑤ TCP 编程中涉及的用法

⑥ setsockopt() /getsockopt()属性存取函数

sock：将要被设置或者获取选项的套接字。
level：选项所在的协议层。
optname：需要访问的选项名。
optval：对于getsockopt()，指向返回选项值的缓冲。对于setsockopt()，指向包含新选项值的缓冲。
optlen：对于getsockopt()，作为入口参数时，选项值的最大长度。作为出口参数时，选项值的实际长度。对于setsockopt()，现选项的长度。

⑦ UDP 数据广播

⑦ 实验

client.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in addr = {0};
    struct sockaddr_in remote = {0};
    int len = 0;
    char buf[128] = {0};
    char input[32] = {0};
    int r = 0;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( sock == -1 )
    {
        printf("socket error\n");
        return -1;
    }

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addr.sin_port = htons(9000);

    if( bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1 )
    {
        printf("udp bind error\n");
        return -1;
    }

    remote.sin_family = AF_INET;
    remote.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    remote.sin_port = htons(8888);

    while( 1 )
    {
        r = recvfrom(sock, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&remote, &len);

        if( r > 0 )
        {
            buf[r] = 0;

            printf("Receive: %s\n", buf);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    close(sock);

    return 0;
}

server.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int server = 0;
    struct sockaddr_in saddr = {0};
    int client = 0;
    struct sockaddr_in remote = {0};
    socklen_t asize = 0;
    int len = 0;
    char buf[32] = "D.T.Software";
    int r = 0;
    int brd = 1;

    server = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( server == -1 )
    {
        printf("server socket error\n");
        return -1;
    }

    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    saddr.sin_port = htons(8888);

    if( bind(server, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) == -1 )
    {
        printf("udp server bind error\n");
        return -1;
    }

    printf("udp server start success\n");

    remote.sin_family = AF_INET;
    // remote.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.255");
    remote.sin_addr.s_addr = 0xFFFFFFFF;
    remote.sin_port = htons(9000);

    // brd = 0;

    setsockopt(server, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &brd, sizeof(brd));

    while( 1 )
    {
        len = sizeof(remote);

        r = strlen(buf);
        
        sendto(server, buf, r, 0, (struct sockaddr*)&remote, len);

        sleep(1);
    }
    
    close(server);

    return 0;
}

17、深入UDP 数据收发（下）

① 问题：UDP是否还有其他一对多的数据发送方式?

② UDP通信中的多播

多播是向特定组中的所有主机传输数据的方法，多播也称之为组播
多播数据传输的特点：
- 多播发送者针对特定的多播组，只发送1次数据，组内主机均可收到数据
- 主机加入特定组，即可接收该组中的多播数据
- 多播组可在IP地址范围内任意增加

③ 关键问题：如何收发多播数据?

多播组是一个D类地址（224.0.0.0 - 239.255.255.255）
“加入多播组” 可理解为UDP网络程序进行的申请
- 如：申请接收发往239.234.111.222的多播数据
- 即：设置属性（IP PROTO IP, IP_ADD_MEMBERSHIP）
发送多播数据的方式，与发送普通UDP数据的方式相同
- 预备操作：设置属性，如（IPPROTO_IP,IP_MULTICAST_TTL）

④ 注意事项

加入同一个多播组的主机不一定在同一个网络中（可能需要路由器转发）
因此，必须设置多播数据的最多转发次数（TTL）（避免资源浪费）
- TTL (即：Time To Live）是决定数据传递距离的主要因素
- TTL 用整数表示，并且每经过1个路由器就减少 1
- TTL 变为0时，数据无法继续被传递，只能销毁

⑤ 多播程序设计：发送端

IP_MULTICAST_TTL
- 用于设置多播数据的“最远传播距离”，默认：1
IP_MULTICAST_IF
- 用于设置多播数据从哪一个网络接口(网卡)发送出去，默认：0.0.0.0（让操作系统决定用哪个网卡，仅限单网卡）
IP_MULTICAST_LOOP
- 用于设置多播数据是否发送回本机，默认：1

⑥ 多播程序设计：接收端

IP_ADD_MEMBERSHIP

用于申请加入多播组，参数为：多播组地止和本机地址

单网卡中可以使用INADDR_ANY(0.0.0.0)，多网卡时，需要手动指定网卡。

⑦ 可以加入多播组，那么可以退出多播组吗？

⑧ 实验

mul_rx.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in addr = {0};
    struct sockaddr_in remote = {0};
    struct ip_mreq group = {0};
    int len = 0;
    char buf[128] = {0};
    char input[32] = {0};
    int r = 0;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( sock == -1 )
    {
        printf("socket error\n");
        return -1;
    }

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // local host
    addr.sin_port = htons(9000);

    if( bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1 )
    {
        printf("udp bind error\n");
        return -1;
    }

    group.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.1.1.168");
    group.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // local host

    setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &group, sizeof(group));

    while( 1 )
    {
        len = sizeof(remote);

        r = recvfrom(sock, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&remote, &len);

        if( r > 0 )
        {
            buf[r] = 0;

            printf("Receive: %s\n", buf);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    close(sock);

    return 0;
}

仅限单网卡

mul_tx.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int server = 0;
    struct sockaddr_in saddr = {0};
    int client = 0;
    struct sockaddr_in remote = {0};
    socklen_t asize = 0;
    int len = 0;
    char buf[32] = "D.T.Software";
    int r = 0;
    int ttl = 0;
    int loop = 0;
    struct in_addr addr = {0};

    server = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if( server == -1 )
    {
        printf("server socket error\n");
        return -1;
    }

    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // local host
    saddr.sin_port = htons(8888);

    if( bind(server, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) == -1 )
    {
        printf("udp server bind error\n");
        return -1;
    }

    printf("udp server start success\n");

    remote.sin_family = AF_INET;
    remote.sin_addr.s_addr = inet_addr("224.1.1.168");
    remote.sin_port = htons(9000);

    ttl = 0;

    len = sizeof(ttl);

    getsockopt(server, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, &len);

    printf("default ttl = %d\n", ttl);

    ttl = 32;

    len = sizeof(ttl);

    setsockopt(server, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &ttl, len);

    printf("current ttl = %d\n", ttl);

    loop = 0;

    len = sizeof(loop);

    getsockopt(server, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_LOOP, &loop, &len);

    printf("default loop = %d\n", loop);

    addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.221");

    len = sizeof(addr);

    setsockopt(server, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &addr, len);

    printf("current if = %s\n", inet_ntoa(addr));

    while( 1 )
    {
        len = sizeof(remote);

        r = strlen(buf);
        
        sendto(server, buf, r, 0, (struct sockaddr*)&remote, len);

        sleep(1);
    }
    
    close(server);

    return 0;
}

⑨ 小结

单播：一对一数据发送，即：指定目标主机发送数据
广播
- 本地广播：本地局域网广播数据，所有主机均可接收数据
- 直接广播：指定网络广播数据，目标网络中的主机均可接收数据
多播(组播)
- 向指定的多播地址发送数据，“订阅”该地址的主机均可接收数据

版权所有

版权归属：sumjess

许可证：署名 4.0 国际 (CC-BY-4.0)