UDP.01.基础知识+基础模型

Posted 2021-08-29 oldmao_2001

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了UDP.01.基础知识+基础模型相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-socket
本节内容其实属于计算机网络基础方面的知识，大多数在网上以及书本上都有讲这里再次罗列一下，权当记录。

UDP协议头

基础信息

UDP源端口号（2字节）	UDP目的端口号（2字节）
校验和（2字节）	信息长度（2字节）

1、协议头（包头）总共8字节；
2、UDP源端口号：发送方的端口号；
3、UDP目的端口号：接收方端口号；
4、校验和：发送的数据，通过一定的算法计算出一个值，接收方接到该包，也会用同样的算法，计算出一个校验值，假设，数据包中途被拦截并篡改，那么接收端收到包之后，计算的校验值就与接收方不一样，得知出现问题，看不明白可以类比一下下载文件的md5校验码；
5、信息长度：包头+数据总字节数。

数据报特点

UDP全称是用户数据报协议（User Datagram Protocol），因此它是基于数据报的，其特点是：一份一份的，每份不能断，两份又不能拼倒一起；相对于TCP的数据流：源源不断，一个接着一个，流当然可以随意拆分和合并。
比如：在TCP模型中，客户端连续发送多次消息，服务器在recv的时候，能够一下都读出来。因为是水流嘛，都是源源不断的，所以有多少我都能一下读出来，或者读出来制定的个数，可拼，可断，其实这个也有不好的地方，之前在TCP的几个模型结构里面可以看出来，当我们调试程序的时候，服务器程序下断点停住，这个时候如果客户端发送多个消息，那么服务器继续运行后就会一次性recv出来（除非发送的消息长度大于buff长度）；
数据报即使客户端连续发了很多消息，服务器一次recv只能读出一份数据报，后面的消息需要调用相应次数的recv才能读取完毕。

与TCP的对比

1、TCP更复杂，有20字节包头，以及可拓展最大60字节包头；
2、UDP无SYN（连接标志位）FIN（断开连接标志位），说明：UDP不用连接，即客户端无connect函数，服务器无listen，accept函数；
3、UDP无窗口大小，说明不能平衡双方的带宽（TCP窗口大小机制比这个说法更加复杂），一方send几次，另一方就要recv几次，当一方尝试发送超过UDP包限制大小的数据，超过部分会丢失；
4、UDP无ACK（确认收到标记位），说明对方收到无反馈，无法确认对方是否收到；
5、UDP无发送，接收顺序号，说明数据发送，接收无序，收没收到，完不完整无反馈，侧面说明不可靠（一般需要在应用层进行自行验证）。

小结

1、UDP简单，速度更快，更高效，（无连接，无验证，头信息少协议代码判断就少）；
2、数据不可靠，（无验证）；
3、不管是数据报，还是字节流，都是在传输线路上传输的数据，对于传输线路而言是没有区别的，区别在于数据到了传输层之后的处理方式，数据报就是数据报的形式处理，字节流就以流的特点处理。
思考：如何让其可靠？
我们可以在应用层模仿TCP的验证过程，减小数据报包的大小（包越大，出现丢帧的概率就越大）
还可以为数据包自行添加序号，然后在应用层进行拼接。

UDP基础模型

注意和TCP基础模型的不同（步骤、参数），其实UDP比TCP要简单。

服务器端

无Listen、Accept
1、包含网络头文件网络库
2、打开网络库
3、校验版本
4、创建SOCKET
5、绑定地址与端口
6、与客户端收发消息

1、包含网络头文件网络库

# include <WinSock2.h>
# pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")

64位系统也是这个Ws2_32.lib库，这里不区分大小写

2、打开网络库

打开网络库后这个库里的函数/功能才能使用。https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-wsastartup

int WSAAPI WSAStartup(
  WORD      wVersionRequested,
  LPWSADATA lpWSAData
);

参数1：网络库的版本，类型是WORD（实际上是unsigned short），长度是2字节
通过MAKEWORD函数将版本号分成两块分别放到2字节里面。

WORD MAKEWORD(
   BYTE bLow,
   BYTE bHigh
);

bLow（低地址）：主版本
bHigh（高地址）：副版本
参数2：传址调用，lpWSAData：是一个WSADATA结构体指针


typedef struct WSAData {
        WORD                    wVersion;//实际上打开的网络库版本
        WORD                    wHighVersion;//系统可提供的网络库最高版本
        char                    szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];
        char                    szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];
        unsigned short          iMaxSockets;//返回可用的SOCKET句柄数量，已舍弃
        unsigned short          iMaxUdpDg;//UDP数据包大小，已舍弃
        char FAR *              lpVendorInfo;//供应商信息，已舍弃
} WSADATA, FAR * LPWSADATA;

返回值：
0，表示正确
其他，用WSAGetLastError()获取错误码

int main()
{
	WORD wVersionRequested = MAKEWORD(2,2);//版本
	WSADATA wsaDATA;
	int iret = WSAStartup(wVersionRequested,&wsaDATA);
	if (iret!=0)
	{
		//有错
		switch(iret)
		{
			case WSASYSNOTREADY: 
				printf("解决方案：重启。。。");
				break; 
			case WSAVERNOTSUPPORTED: 
				printf("解决方案：更新网络库");
				break; 
			case WSAEINPROGRESS: 
				printf("解决方案：重启。。。");
				break; 
			case WSAEPROCLIM: 
				printf("解决方案：网络连接达到上限或阻塞，关闭不必要软件");
				break; 
			case WSAEFAULT:
				printf("解决方案：程序有误");
				break;
		}
		getchar();
		return 0;
	}
	
	//关闭网络库
	WSACleanup();
	system("pause");
	return 0;
}

打开后要记得关闭网络库：

WSACleanup();

3、校验版本

这里可以用两个宏：
HIBYTE是获取高位副版本
LOBYTE是获取低位主版本

	//校验版本，只要有一个不是2，说明系统不支持我们要的2.2版本	
	if (2!=HIBYTE(wsaDATA.wVersion)|| 2!=LOBYTE(wsaDATA.wVersion))
	{
			printf("版本有问题！");
			WSACleanup();//关闭网络库
			return 0;
	}

版本不对记得关闭网络库并返回

4、创建SOCKET

https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-socket

SOCKET WSAAPI socket(
  int af,
  int type,
  int protocol
);

参数1：地址类型

名称	取值	含义
AF_INET	2	Internet协议版本4（IPv4）地址系列。
AF_INET6	23	Internet协议版本6（IPv6）地址系列。
AF_BTH	32	蓝牙地址系列。如果计算机安装了蓝牙适配器和驱动程序，则Windows XP SP2或更高版本支持此地址系列。
AF_IRDA	26	红外数据协会（IrDA）地址系列。仅当计算机安装了红外端口和驱动程序时，才支持此地址系列。

参数2：套接字类型（数据的传递方式）

名称	数值	内容
SOCK_STREAM	1	提供带有OOB数据传输机制的顺序，可靠，双向，基于连接的字节流。此套接字类型使用传输控制协议（TCP）作为Internet地址系列（AF_INET或AF_INET6）。
SOCK_DGRAM	2	一种支持数据报的套接字类型，它是固定（通常很小）最大长度的无连接，不可靠的缓冲区。此套接字类型使用用户数据报协议（UDP）作为Internet地址系列（AF INET或AF_INET6）。
SOCK_RAW	3	提供允许应用程序操作下一个上层协议头的原始套接字。要操作lPv4标头，必须在套接字上设置IP_HDRINCL套接字选项。要操作lPv6标头，必须在套接字上设置IPV6_HDRINCL套接字选项。
SOCK_RDM	4	提供可靠的消息数据报。这种类型的一个示例是Windows中的实用通用多播（PGM）多播协议实现，通常称为可靠多播节目。仅在安装了可靠多播协议时才支持此类型值。
SOCK_SEQPACKET	5	提供基于数据报的伪流数据包。

参数3：协议类型，常见搭配如下表所示：

名称	数值	协议名称	地址参数	套接字类型
IPPROTO_TCP	6	传输控制协议（TCP）	AF_INET或AF_INET6	SOCK_STREAM
IPPROTO_UDP	17	用户数据报协议（UDP）	AF_INET或AF INET6	SOCK_DGRAM
IPPROTO_ICMP	1	Internet控制消息协议（ICMP）	AF UNSPEC，AF_INET或AF_INET6	SOCK RAW或未指定
IPPROTO_IGMP	2	Internet组管理协议（IGMP）	AF UNSPEC，AF_INET或AF_INET6	SOCK RAW或未指定
IPPROTO_RM	113	用于可靠多播的PGM协议（Windows Vista以上版本叫IPPROTO_PGM）	AF_INET	SOCK_RDM（仅在安装了可靠多播协议时才支持此协议值）

这里要用IPPROTO_UDP
返回值：
成功则返回Socket句柄，使用完毕要用CloseSocket(socket)销毁该句柄。
失败返回INVALID_SOCKET，此时要关闭网络库，可用WSAGetLasterror()返回错误码。此时不用关闭Socket句柄。
具体代码：

// 4、创建SOCKET
	SOCKET socketServer = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP);
	if(INVALID_SOCKET == socketServer)
	{
		//清理网络库，不关闭句柄
		WSACleanup();
		return 0;
	}

	
	

	closesocket(socketServer);//与4、创建SOCKET对应，如果有创建客户端SOCKET句柄，也要关闭

5、绑定地址与端口

https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-bind

int WSAAPI bind(
  SOCKET         s,
  const sockaddr *name,
  int            namelen
);

参数1：服务器SOCKET句柄
参数2：sockaddr 结构体指针

struct sockaddr {
        ushort  sa_family;//2字节
        char    sa_data[14];//14字节
};

struct sockaddr_in {
        short   sin_family;//2字节
        u_short sin_port;//2字节
        struct  in_addr sin_addr;//4字节
        char    sin_zero[8];//8字节
};

可以看到两个结构体内容不一样，但是大小是一样的，可以把下面的强转为上面的类型，而并不报错。
可以看到sockaddr_in 更加的方便我们填写端口号和IP地址，因此参数2通常是用sockaddr_in来定义，然后再强转为sockaddr类型。（搞这么复杂的原因还是考虑兼容性，很多系统里面只支持sockaddr格式）
参数3：参数2的长度，写sizeof(参数2)
返回值：成功返回0
失败处理方式和创建SOCKET处理方式一样

6、与客户端收发消息

收recvfrom

从协议缓冲区（UDP协议规定的）将数据复制到我们的buff（参数2），该函数是阻塞的。

int WSAAPI recvfrom(
  SOCKET   s,
  char     *buf,
  int      len,
  int      flags,
  sockaddr *from,
  int      *fromlen
);

参数1：服务器端的SOCKET句柄，这里和TCP的recv不一样，recv的参数1是客户端SOCKET句柄，recv的阻塞是等这里指定的客户端，是1对1的关系；UDP则没有指定接收哪个客户端的消息，因此recvfrom中服务器SOCKET和客户端SOCKET是1对多的关系。
参数2：字符数组，用于客户端消息的存储。关于字符数组的大小设置原则应尽量设置大一些，避免不必要的包的拆分和组合。

网络类型	MTU	TCP最大长度	UDP最大长度
局域网	以太网1500	$\\min(1500-(20\\sim60)_{TCP包头}-20_{IP包头})=1420$	$1500-8_{UDP包头}-20_{IP包头}=1472$
广域网	路由器576	$\\min(576-(20\\sim60)_{TCP包头}-20_{IP包头})=496$	$576-8_{UDP包头}-20_{IP包头}=548$

两种网络可设置的大小不一样，对于TCP而言，设置为1420还是496都可以，反正可靠流传输，不会丢；对于UDP，按小的弄：548。

参数3：设定要读取的数据报字节个数，一般设置为参数2的大小
如果设置的数据报字节个数比参数2小，那么后面多出来的那部分估计会被丢弃；如果是TCP则可下一次再读取出来。
参数4：数据的读取方式，这个之前有：
默认是0即可。正常情况下recvfrom根据参数3读取数据缓冲区指定长度的数据后（指定长度大于数据长度则全部读取），数据缓冲区中被读取的数据会清除，把空间留出来给别的消息进来（不清理的话时间长了内存会溢出，数据缓冲区数据结构相当于队列）。
例如数据缓冲区中有如下数据：

a	b	c	d	e	f

调用recv(socketClient,buff,2,0);从数据缓冲区读取两个字节的数据得到a，b。则变成

c	d	e	f

这个时候再调用recv(socketClient,buff,2,0);从数据缓冲区读取两个字节的数据得到c，d。
懂得正常逻辑后我们可以看下其他几种模式。

数值	含义
0（默认值）	从数据缓冲区读取数据后清空被读取的数据
MSG_PEEK（不建议使用，内存会爆）	从数据缓冲区读取数据后不清空被读取的数据
MSG_OOB	接收带外数据，每次可以额外传输1个字节的数据，具体数据内容可以自己定义，这个方法可以用分别调用两次send函数，而且在不同TCP协议规范这个模式还不怎么兼容，因此也不推荐使用
MSG_WAITALL	等待知道系统缓冲区字节数大于等于参数3所指定的字节数，才开始读取

如果使用MSG_PEEK模式，那么调用recv(socketClient,buff,2,MSG_PEEK);从数据缓冲区读取两个字节的数据得到a，b。由于不清空被读取的数据，缓冲区还是不变：

a	b	c	d	e	f

如果再次执行recv(socketClient,buff,2,MSG_PEEK);从数据缓冲区读取两个字节的数据还是得到a，b。
参数5：sockaddr结构体的传址调用，获取到发来消息的客户端信息
参数6：客户端信息的大小
返回值：
成功：返回读出来的字节大小，如果没有信息可读则在这里阻塞。
这里和TCP不一样的是，TCP如果客户端下线会收到0（正常下线）和10054（点×强制下线）。
失败：返回SOCKET_ERROR。

struct sockaddr sa;
		int iSaLen = sizeof(sa);
		char strRecvBuff[548]={0};

		if(recvfrom(socketServer,strRecvBuff,548,0,&sa,&iSaLen)==SOCKET_ERROR)
		{
			int err = WSAGetLastError();//取错误码
			printf("服务器recvfrom失败错误码为：%d\\n",err);
		}

发sendto

该函数将数据复制到系统的协议发送缓冲区，在伺机发送出去。

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

参数1：自己的SOCKET句柄（这里和send不一样，send的参数1是目标SOCKET句柄）
参数2：要发送的字符串
参数3：字符串长度
参数4：数据的发送方式。默认是0即可。当然还有其他取值，意义如下表：

数值	含义
0（默认值）	从数据缓冲区发送数据后清空被发送的数据
MSG_OOB	传输带外数据，每次可以额外传输1个字节的数据，具体数据内容可以自己定义，这个方法可以用分别调用两次send函数，而且在不同TCP协议规范这个模式还不怎么兼容，不推荐使用
MSG_DONTROUTE	指定数据不应受路由限制。由于Windows套接字服务提供程序可以选择忽略此标志，因此该模式只能在Linux系统下面用。

参数5：目标IP地址端口号的sockaddr结构体
参数6：sockaddr结构体大小
返回值：
成功：返回发送的字节大小。
失败：返回SOCKET_ERROR。

//发
		if(sendto(socketServer,"This is a message from server~!",sizeof("This is a message from server~!"),0,&sa,sizeof(sa))==SOCKET_ERROR)
		{
			int err = WSAGetLastError();//取错误码
			printf("服务器sendto失败错误码为：%d\\n",err);
		}

客户端

无Connect
1、包含网络头文件网络库
2、打开网络库
3、校验版本
4、创建SOCKET（这里变量名改下）

// 4、创建SOCKET
	SOCKET socketClient = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP);
	if(INVALID_SOCKET == socketClient)
	{
		//清理网络库，不关闭句柄
		WSACleanup();
		return 0;
	}
//服务器地址与端口
	struct sockaddr_in si;
	si.sin_family = AF_INET;//这里要和创建SOCKET句柄的参数1类型一样
	si.sin_port = htons(9527);//用htons宏将整型转为端口号的无符号整型
	si.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");

5、与服务器端收发消息
以上步骤和服务器端步骤基本一致，少了绑定，在创建SOCKET步骤上是创建服务器的地址端口结构体。

5、与服务器端收发消息

这里为了和服务器互动，不阻塞卡死，先发再收。

//发
		char strSendBuff[548] = {0};
		scanf("%s",strSendBuff);
		if(sendto(socketClient,strSendBuff,sizeof(strSendBuff),0,(const struct sockaddr *)&si,sizeof(si))==SOCKET_ERROR)
		{
			int err = WSAGetLastError();//取错误码
			printf("客户端sendto失败错误码为：%d\\n",err);
			continue;
		}

		//收
		struct sockaddr sa;
		int iSaLen = sizeof(sa);
		char strRecvBuff[548]={0};

		if(recvfrom(socketClient,strRecvBuff,548,0,&sa,&iSaLen)==SOCKET_ERROR)
		{
			int err = WSAGetLastError();//取错误码
			printf("客户端recvfrom失败错误码为：%d\\n",err);
			continue;
		}
		printf("客户端recvfrom消息是：%s\\n",strRecvBuff);

优化：处理点×关闭

点×关闭属于强制关闭，这个时候程序还有很多内核对象（SOCKET句柄）没有销毁，很容易造成内存泄露。
首先吧SOCKET句柄改成全局变量，然后写一段在强制时间关闭事件发生后要处理的代码

SOCKET socketServer;

//处理强制关闭事件
BOOL WINAPI CtrlFun(DWORD dwType)
{
	switch (dwType)
	{
	case CTRL_CLOSE_EVENT:
		//关闭socket
		closesocket(socketServer);
		//关闭网络库
		WSACleanup();
		break;
	}
	return FALSE;
}

在主函数开头加一句：

//投递关闭事件
	SetConsoleCtrlHandler(CtrlFun, TRUE);

完整代码

服务器

#include <stdio.h>
//1、包含网络头文件网络库
# include <WinSock2.h>
# pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")

SOCKET socketServer;

//处理强制关闭事件
BOOL WINAPI CtrlFun(DWORD dwType)
{
	switch (dwType[Go] 通过 17 个简短代码片段，切底弄懂 channel 基础
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