UDP协议&&UDP广播通信

UDP协议

1. 概念
   传输层主要的应用协议模型有，TCP，UDP两种。TCP协议占主导地位，绝大多数网络都是借助TCP协议完成数据传输，但UDP也是不了或缺的重要通信手段
   相较于TCP，UDP通信形式像发短信。不需要建立连接。只需要专心获取数据就可以，省去了三次握手，通信速度可以大大提高，伴随着通信的稳定性与正确得不到保障。因此就称为无连接的不可靠的传输
   UDP无需连接，开销小，数据传输快，实时性较强，多用于视频会议，电话会议，短视频直播。由于数据的准确率得不到保证，为了保证准确性，在应用层添加辅助的校验协议来弥补UDP的不足，以达到可靠传输的目的

2. C/S模型--UDP通信流程

   1. 客户端
      
      由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单明了许多，但UDP是不可靠的，保证通讯可靠性需要在应用层实现
   • 建立套接字

     #include <sys/types.h>
     #include <sys/socket.h>
     
     	// 函数作用：建立套接字，返回套接字文件描述符
     	int socket(
     		int domain,      // 参数1：选择地址族   AF_INET：IPV4    AF_INET6：IPV6
     				// 两者在windows下没有任何区别，在linux/unix有细微差别
     				// PF_INET---Protocol--->在创建套接字的使用
     				// AF_INET---Address--->结构体定义地址的时候
     		int type,       // 参数2：选择哪一种协议   SOCK_STREAM：TCP流式   SOCK_DGRAM：UDP数据报套接字
     		int protocol   // 参数3：0：表示默认协议
     	);
     	返回值：成功：套接字描述符   失败：-1
     

   • 直接发送

     #include <sys/socket.h>
     
     	ssize_t sendto(
     		int socket,             //参数1：套接字文件描述符
     		const void *message,   // 参数2：需要发送的数据
     		size_t length,        // 参数3：数据的长度
     		int flags,           // 参数4：一般设置为0
     		const struct sockaddr *dest_addr,   // 参数5：对方的IP地址和端口号
     		socklen_t dest_len                 // 参数6：结构体的大小
     	);
     	返回值：成功返回发送的字节数   失败返回-1
     

   • 关闭连接---->close(sockfd);
   2. 服务端
   • 绑定自己的IP和端口号

     #include <sys/types.h>
     #include <sys/socket.h>
     	// 作用：绑定自己的IP地址和端口号
     	int bind(
     		int sockfd,   // 参数1：sockfd--->套接字文件描述符
     		const struct sockaddr *addr,   //参数2：自己的IP地址和端口号
     		socklen_t addrlen   // 参数3：地址的大小长度
     	);
     	// 返回值：成功返回0 失败返回-1
     

   • 接收数据

     #include <sys/socket.h>
     
     	ssize_t recvfrom(
     		int socket,   // 参数1：sockfd--->套接字文件描述符
     		void *restrict buffer,   // 参数2：接受的数据存储在数组
     		size_t length,   // 参数3：数据长度
     		int flags,   // 参数4：一般设置为0
     		struct sockaddr *restrict address,   // 参数5：客户端的IP和端口号
     		socklen_t *restrict address_len   // 参数6：结构体的大小
     	);
     

   UDP互相通信

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

struct sockaddr_in clientAddr;
void* func(void* arg)
{
	int sock_fd = *((int*)arg);
	while(1)
	{
		printf("data: ");
		char buf[1024] = "";
		scanf("%s", buf);
		sendto(sock_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, sizeof(clientAddr));
	}
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
	// 建立套接字
	int sock_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);


	// 作用：绑定自己的IP地址和端口号
	struct sockaddr_in ownAdd;
	ownAdd.sin_family = AF_INET;
	ownAdd.sin_port = htons(5000);
	ownAdd.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.153");
	bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&ownAdd, sizeof(ownAdd));



	//3.定义一个结构体，存储对方的IP地址与端口号
	int len=sizeof(clientAddr);

    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, func, &sock_fd);

	while(1)
	{
		char buf[1024] = "";
		recvfrom(sock_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientAddr, &len);
		printf("来自[%s]:[%u]: %s\n", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port),buf);
	}

	close(sock_fd);
	pthread_join(tid, NULL);

	return 0;
}


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

struct sockaddr_in serverAdd;
int len=sizeof(serverAdd);
void* func(void* arg)
{
	int sock_fd = *((int*)arg);
	while(1)
	{
		char buf[1024] = "";		
		recvfrom(sock_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&serverAdd, &len);
		printf("来自[%s]:[%u]: %s\n", inet_ntoa(serverAdd.sin_addr),ntohs(serverAdd.sin_port),buf);
	}
}


int main(int argc, char const *argv[])
{
	// 建立套接字
	int sock_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	// 存储对方的IP和端口号
	serverAdd.sin_family = AF_INET;
	serverAdd.sin_port = htons(5000);
	serverAdd.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.153");

	// 绑定自己的IP和端口号
	struct sockaddr_in clientAddr;
	clientAddr.sin_family = AF_INET;
	clientAddr.sin_port = htons(5000);
	clientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.153");

	pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, func, &sock_fd);
	
	while(1)
	{
		printf("data: ");
		char buf[1024] = "";
		scanf("%s", buf);
		sendto(sock_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&serverAdd, sizeof(serverAdd));
	}

	close(sock_fd);
	pthread_join(tid, NULL);

	return 0;
}

UDP广播通信

1. 什么是广播

   • 单播：数据包的发送方式是有一个接收方
   • 广播：同时发给局域网中的所有的主机

2. 特点
   只有用户数据报套接字（使用UDP协议）才能广播

3. 广播地址
   以192.168.1.0网段为例，192.168.1.255代表该网段的广播地址。发送给该地址的数据包被所有的主机接收

4. 实现广播的过程
   广播的发送端

   1. 创建数据报套接字
      int sock_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

   2. 设置sock_fd套接字文件的属性为广播：SO_BROADCAST

      #include <sys/socket.h>
      
      int setsockopt(
      	int socket,   //参数1：套接字文件描述符
      	int level,   //参数2：一般设置成SOL_SOCKET
      	int option_name,   //参数3：一般设置成SO_BROADCAST
      	const void *option_value,   //参数4：代表设置的值
      	socklen_t option_len   //参数5：设置的值的长度
      );
      

   3. 发送数据，指定接收方为广播地址

      struct sockaddr_in sendAddr;
      sendAddr.sin_family=AF_INET;
      sendAddr.sin_port=htons(10000);
      sendAddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.255");
      sendto(sock_fd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr*)&sendAddr, sizeof(sendAddr));
      

   广播的接收端

   1. 创建数据报套接字
      int sock_fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   2. 绑定自己的IP

      struct sockaddr_in ownAddr;
      ownAddr.sin_family=AF_INET;
      ownAddr.sin_port=htons(10000);
      ownAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
      bind(socketfd,(struct sockaddr *)&ownAddr,sizeof(struct sockaddr_in));
      

   3. 接收数据recvfrom()
   4. 关闭连接close()

UDP组播（群聊）

1. 概念

   • 组播介于单播与广播之间，在一个局域网内，将某些主机添加到组中，并设置一个组地址。我们只需要将数据发给组播地址就可以了，加入到该组的所有主机都能接收到数据

2. 组播的特点

   • 需要给组播设置IP地址，该IP必须是D类地址
   • 只有UDP才能设置组播

3. IP地址分类

   • IP地址=网络号+主机号
     网络号：指的是不同的网络（不同的网段）
     主机号：在同一网段下用来识别不同的主机。也就是说，主机号占得位数越多，在该网段下的主机越多

     A类地址：保留给政府机构使用
     A类IP地址1字节的网络号+3字节主机号（网络地址最高位必须是0）
     A类IP地址范围1.0.0.1-126.255.255.254

     B类地址：分配给中等规模公司
     B类IP地址2字节的网络号+2字节主机号（网络地址最高位必须是10）
     B类IP地址范围：128.0.0.1-191.255.255.254

     C类地址：分配给任何需要的人
     C类IP地址3字节的网络号+1字节主机号（网络地址最高位必须是110）
     C类IP地址范围192.0.0.1-223.255.255.254

     D类地址：用于组播
     D类IP地址范围224.0.0.1-239.255.255.254

     E类地址：用于实验
     E类IP地址范围240.0.0.1-255.255.255.254

   • 特殊地址
     每一个字节都为0的地址：（0.0.0.0）对应当前主机
     INADDR_ANY：代表当前主机所有的地址
     127.0.0.1：回环地址（在当前主机内部自动形成闭环的网络）主要用于主机内部不同的应用程序通信
     如果你确定当前的客户端和服务器都在同一主机上运行，那么就可以使用这个地址

4. 接收端怎么接收组播消息？--->需要加入组播属性的套接字
   

5. 组播的通信过程
   发送端：

   • 创建UDP套接字
   • 发送数据到组播地址（224.0.0.10）
   • 关闭

   接收端（要把接收端IP地址加入到组播里面）

   • 创建UDP数据报套接字

   • 定义组播结构体
     struct ip_mreq vmreq

   • 设置组播IP（初始化组播结构体）

     vmreq.imr_multiaddr=224.0.0.10 (错误写法)
     vmreq.imr_interface=192.168.1.143 (错误写法)
     inet_pton(AF_INET, "224.0.0.10", &vmreq.imr_multiaddr);
     inet_pton(AF_INET, "192.168.1.143", &vmreq.imr_interface);
     
     #include <arpa/inet.h>
     
     	int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
     

   • 加入组播属性（设置这个套接字可以接收组播信息）
     setsockopt(sock_fd, IPPROTO_IP, IP_)

   • 绑定地址

     struct sockaddr_in saddr;
     saddr.sin_family = AF_INET;
     saar.sin_port(atoi(argv[1]))
     saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
     bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));
     

多进程并发服务器

使用多进程并发服务器时要考虑以下几点

1. 父进程最大文件描述符（父进程需要close关闭，accept返回最新的文件描述符）
2. 系统内创建进程的个数（与内存大小有关）
3. 进程创建过多是否会降低整体的服务性能（进程调度）

多线程并发服务器

在使用线程模型开发服务器时需要考虑以下问题：
- 调整进程内最大的文件描述符上限
- 线程如有共享数据，考虑线程同步
- 服务器客户端线程退出，退出处理（分离属性）
- 系统负载，随着连接客户端增加，导致其他线程及时得到CPU

端口复用

1. 端口复用的作用
   • 端口复用真正用处是主要在服务器编程：当服务器需要重启的时候，经常会碰到端口尚未关闭，这个时候如果不设置端口复用，则无法完成绑定，因为端口可能还处于被别的套接口绑定的状态中

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