Linux下的socket编程实践（十）基本UDP编程细节

发布时间：2015-11-06 16:48:24作者：知识屋

在我的这两篇博客中，简单介绍并实现了基于UDP(TCP)的windows（UNIX下流程基本一致）下的服务端和客户端的程序，本文继续探讨关于UDP编程的一些细节。
下图是一个简单的UDP客户/服务器模型：

我在这里也实现了一个简单的UDP回射服务器/客户端：

/**实践: 实现一个基于UDP的echo回声server/client**/  //server端代码  void echoServer(int sockfd);  int main()  {      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);      if (sockfd == -1)          err_exit("socket error");        struct sockaddr_in servAddr;      servAddr.sin_family = AF_INET;      servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      servAddr.sin_port = htons(8001);      if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)          err_exit("bind error");        echoServer(sockfd);  }  void echoServer(int sockfd)  {      char buf[BUFSIZ];      ssize_t recvBytes = 0;      struct sockaddr_in clientAddr;      socklen_t addrLen;      while (true)      {          memset(buf, 0, sizeof(buf));          addrLen = sizeof(clientAddr);          memset(&clientAddr, 0, addrLen);          recvBytes = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0,                               (struct sockaddr *)&clientAddr, &addrLen);          //如果recvBytes=0, 并不代表对端连接关闭, 因为UDP是无连接的          if (recvBytes < 0)          {              if (errno == EINTR)                  continue;              else                  err_exit("recvfrom error");          }            cout << buf ;          if (sendto(sockfd, buf, recvBytes, 0,                     (const struct sockaddr *)&clientAddr, addrLen) == -1)              err_exit("sendto error");      }  }

/**client端代码**/  void echoClient(int sockfd);  int main()  {      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);      if (sockfd == -1)          err_exit("socket error");      echoClient(sockfd);      cout << "Client exiting..." << endl;  }  void echoClient(int sockfd)  {      struct sockaddr_in servAddr;      servAddr.sin_family = AF_INET;      servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");      servAddr.sin_port = htons(8001);      char buf[BUFSIZ] = {0};      while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL)      {          if (sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0,                     (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)              err_exit("sendto error");          memset(buf, 0, sizeof(buf));          int recvBytes = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);          if (recvBytes == -1)          {              if (errno == EINTR)                  continue;              else                  err_exit("recvfrom error");          }          cout << buf ;          memset(buf, 0, sizeof(buf));      }  }

UDP协议并不是像TCP一样是一对一的通信，UDP可以实现广播通信，并且由于是无连接的，只要知道对等方地址(ip和port) 都可以主动发数据。关闭server，再连接上，还可以进行通信。

UDP编程的注意事项和细节：
1.UDP不存在粘包问题，因为不是基于流的传输（基于消息）。
2.UDP报文可能会丢失、重复、乱序问题。处理丢失可以采用超时处理机制，计时器超时重传；处理重复、乱序可以靠维护数据报之间的序号解决。
3.UDP缺乏流量控制:当缓冲区写满以后,由于UDP没有流量控制机制,因此会覆盖缓冲区。可以通过模拟TCP的滑动窗口协议解决。
4.数据报截断：如果对端发送的UDP数据报大于本地接收缓冲区,报文可能被截断,后面的部分会丢失(而不是像我们想象的下一次能够接收到)；并且如果我们使用sendto发送"ABCD"4个字节，接受的recv函数采用循环的方式每次接收一个字符，然而结果却是我们只能接受到A。剩下的不会存在于缓冲区，这也可以形成判断依据：会丢失报式套接口（UDP）不是流式套接口（TCP）。
5.recvfrom返回0：不代表连接关闭，因为UDP是无连接的。
6.ICMP异步错误（重点）
服务器或者客户端只有一方打开的时候，会发生这个错误，并且这是TCP/IP协议栈产生的一个ICMP应答错误，recv的时候才能收到。因为根本得不到通知，所以称作异步，不会返回给未连接的套接字。
解决方法：UDP调用connect
当增加上connect后，send之后，如果对方处于未开启的话，那么recv会接受到ICMP错误。UDP的connect没有三次握手，仅仅是维护了一个信息，一个状态，并且为这个套接字不能发送给其他地址。connect后不指定sendto的目的地址也可以，因为连接的时候已经指定了，并且还可以用send，write的方法。
进一步说明：

1)UDP发送报文的时，只把数据copy到发送缓冲区。在服务器没有起来的情况下，可以发送成功。
2)所谓ICMP异步错误是指：发送的报文的时候，没有错误，接受报文recvfrom的时候，回收到ICMP应答.
3)异步的错误，无法返回未连接的套接字, 因此如果上例我们调用了connect, 是可以收到该异步ICMP报文的;

对1）的进一步分析：
如果服务器没启动，客户端sendto发送一个数据，结果会是什么呢？
结论是，sendto成功返回，如果客户端还同时调用了recvfrom，则将永远堵塞在recvfrom函数(当然可以设超时)，同时通过tcpdump还可以看到，服务端返回ICMP port unreachable错误消息，但是这个消息并没有通过sendto和recvfrom函数返回给用户进程，换句话说，用户并不知道服务端返回了ICMP错误。怎么办呢，udp的connet函数可以搞定这些。
对于udp socket调用connect，称之为已连接UDP socket，其与未连接UDP socket区别如下：
不使用sendto，而使用write或send，因为在connect中，已经指定目的端IP地址；不应用recvfrom，而使用read或recv或recvmsg，注意，如果源地址不是connect连接的目的地址，是不会回馈到该套接字的，这正好由内核帮我们完成了验证接收到的响应；由已连接的UDP套接字引发的异步错误，会返回给他们所在的进程，这样就很好的解决了上述问题；在调用connect，确定目的IP和port之外，同时还会通过目的地址，查找路由表，确定本地地址，connect之后调用getsockname可以获取到。

总结：UDP客户或服务进程，仅在使用自己的UDP套接字与确定的唯一对端进行通信时，才会调用connect，当然，一般UDP客户端会用connect多一点。同时如果采用connect，其性能也会得到提升，因为对于sendto来讲，其发送数据前和后，需要连接套接字、断开套接字，如果connect之后，这两步就省下了。

7.UDP外出接口的确定:

假设客户端有多个IP地址，由connect /sendto 函数提供的远程地址的参数，系统会选择一个合适的出口，比如Server的IP是192.168.2.10, 而客户端现在的IP有 192.168.1.32 和 192.168.2.75 那么会自动选择192.168.2.75 这个IP出去。（具体算法先略过...）

最后附上数据报截断的一个示例：

int main()  {      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);      if (sockfd == -1)          err_exit("socket error");        struct sockaddr_in servAddr;      servAddr.sin_family = AF_INET;      servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      servAddr.sin_port = htons(8001);      if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)          err_exit("bind error");      //给自己发送数据      if (sendto(sockfd, "ABCDE", 5, 0,                 (const struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)          err_exit("sendto error");        for (int i = 0; i < 5; ++i)      {          char ch;          int recvBytes =  recvfrom(sockfd, &ch, 1, MSG_DONTWAIT, NULL, NULL);          if (recvBytes == -1)          {              if (errno == EINTR)                  continue;              else if (errno == EAGAIN)                  err_exit("recvfrom error");          }          else              cout << "char = " << ch << ", recvBytes = " << recvBytes << endl;      }  }

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