解析C语言基于UDP协议进行Socket编程的要点

lazytiger 发布于2年前 阅读2078次
0 条评论

两种协议 TCP 和 UDP
前者可以理解为有保证的连接,后者是追求快速的连接。
当然最后一点有些 太过绝对 ,但是现在不需熬考虑太多,因为初入套接字编程,一切从简。
稍微试想便能够大致理解, TCP 追求的是可靠的传输数据, UDP 追求的则是快速的传输数据。
前者有繁琐的连接过程,后者则是根本不建立可靠连接(不是绝对),只是将数据发送而不考虑是否到达。
以下例子以 *nix 平台的便准为例,因为 Windows平台需要考虑额外的加载问题,稍作添加就能在 Windows 平台上运行UDP。

UDP

这是一个十分简洁的连接方式,假设有两台主机进行通信,一台只发送,一台只接收。
接收端:

  int sock; /* 套接字 */
  socklen_t addr_len; /* 发送端的地址长度,用于 recvfrom */
  char mess[15];
  char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
  struct sockaddr_in recv_host, send_host;

  /* 创建套接字 */
  sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

  /* 把IP 和 端口号信息绑定在套接字上 */
  memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
  recv_host.sin_family = AF_INET;
  recv_host.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 接收任意的IP */
  recv_host.sin_port = htons(6000); /* 使用6000 端口号 */
  bind(sock, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));

  /* 进入接收信息的状态 */
  recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&send_host, &addr_len);

  /* 接收完成,关闭套接字 */
  close(sock);

上述代码省略了许多必要的 错误检查 ,在实际编写时要添加

代码解释:
PF_INET 代表协议的类型,此处代表 IPv4 网络协议族, 同样 PF_INET6 代表 IPv6 网络协议族,这个范围在后方单独记录,不与IPv4混在一起(并不意味着更复杂,实际上更简便)。
AF_INET 代表地址的类型,此处代表 IPv4 网络协议使用的地址族, 同样有 AF_INET6 (在操作系统实现中 PF_INET 和 AF_INET 的值一样,但是还是要写宏更好,而不应该直接用数字或者,混淆使用)
htonl 和 htons 两个函数的使用涉及到 大端小端问题, 这里不叙述,需要记住的是在网络编程时一定要使用这种函数将必要信息转为 大端表示法 。
(struct sockaddr *) 这个强制转换是为了参数的必须,但不会出错,因为 sizeof(struct sockaddr_in) == sizeof(struct sockaddr) 具体可以查询相关信息,之所以这么做是为了方便编写套接字程序的程序员。
发送端:

  int sock;
  const char* mess = "Hello Server!";
  char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
  struct sockaddr_in recv_host;
  socklen_t addr_len;
  /* 创建套接字 */
  sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  /* 绑定 */
  memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
  recv_host.sin_family = AF_INET;
  recv_host.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  recv_host.sin_port = htons(6000);
  /* 发送信息 */
  /* 在此处,发送端的IP地址和端口号等各类信息,随着这个函数的调用,自动绑定在了套接字上 */
  sendto(sock, mess, strlen(mess), 0, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
  /* 完成,关闭 */
  close(sock);

上述代码是发送端。

代码解释:
inet_addr 函数是用于将字符串格式的 IP地址 转换为 大端表示法的 地址类型,即 s_addr 的类型 in_addr_t
与之相反,同样也有功能相反的函数 inet_ntoa 用于将 in_addr_t 类型转为字符串,但是使用时一定要记住及时拷贝返回值 char addr[16]; recv_host.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); strcpy(addr, inet_ntoa(recv_host.sin_addr.s_addr));
从上述代码看出, UDP 协议的使用十分简洁,几乎就是 创建套接字->准备数据->装备套接字->发送/接收->结束
其中,都没有连接的操作,但是实际上这是为了方便 UDP 随时和 不同的主机 进行通信所默认的设置,如果需要和相同主机一直通信呢?
此中的原由暂时不需要知道,记录方法,即长时间使用 UDP 和同一主机通信时,可以使用 connect 函数来进行优化自身。此时 假设两台主机的实际功能一致,既接收也发送
发送端:

  /* 前方高度一致,将 bind函数替换为 */
  connect(sock, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host); // 将对方的 IP地址和 端口号信息 注册进UDP的套接字中)
  while(1) /* 循环的发送和接收信息 */
  {
   size_t read_len = 0;
   /* 原先使用的 sendto 函数,先择改为使用 write 函数, Windows平台为 send 函数 */
   write(sock, mess, strlen(mess));      /* send(sock, mess, strlen(mess), 0) FOR Windows Platform */
   read_len = read(sock, get_mess, GET_MAX-1); /* recv(sock, mess, strlen(mess)-1, 0) FOR Windows Platform */
   get_mess[read_len-1] = '\0';
   printf("In Client like Host Recvive From Other Host : %s\n", get_mess);
  }
  /* 后方高度一致 */

接收端:

  /* 前方一致, 添加额外的 struct sockaddr_in send_host; 并添加循环,构造收发的现象*/
    while(1)
  {
   size_t read_len = 0;
   char sent_mess[15] = "Hello Sender!"; /* 用于发送的信息 */
   sendto(sock, mess, strlen(sent_mess), 0, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
   read_len = recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&send_host, &addr_len)
   mess[read_len-1] = '\0';
   printf("In Sever like Host Recvive From other Host : %s\n", mess);
  }
  /* 后方高度一致 */
  /*
  * 之所以只在接收端使用 connect 的原因,便在于我们模拟的是 客户端-服务器 的模型,而服务器的各项信息是不会随意变更的
  * 但是 客户端就不同了,可能由于 ISP(Internet Server Provider) 的原因,你的IP地址不可能总是固定的,所以只能
  * 保证 在客户端 部分注册了 服务器 的各类信息,而不能在 服务器端 注册 客户端 的信息。
  * 当然也有例外,例如你就想这个软件作为私密软件,仅供两个人使用, 且你有固定的 IP地址,那么你可以两边都connect,但是
  * 一定要注意,只要有一点信息变动,这个软件就可能无法正常的收发信息了。
  */

代码解释
故而实际上,虽然前方的表格显示,UDP 似乎并没有 connect 的使用必要,但是实际上还是有用到的地方。
就 *nix 的 API 来说,sendto 和 write 的区别十分明显,便是一个需要在参数中提供目标主机的各类信息,而后者则不需要提供。同样的道理recvfrom和read也是如此。
这个代码只是做演示而已,所以将代码置于无限循环当中,现实中可以自行定义出口条件。
以上是 UDP 的一些简单说明,入门足矣,并未详细叙述某些 函数 的具体用法,而是用实际例子来体现。 在 记录 TCP 之前,还是需要讲一个函数 shutdown
shutdown 与 close(closesocket)

首先要知道,网络通信一般而言是双方的共同进行的,换而言之就是双向的,一个方向只用来发送消息,一个方向只用来读取消息。
这就导致了,在结束套接字通信的时候,需要关闭两个方向的通道(暂时叫它们通道),那同时关闭不行吗?可以啊
close(sock); // closesocket(sock); FOR Windows PlatForm 就是这么干的,同时断开两个方向的连接。
简单的通信程序或者单向通信程序这么做的确无甚大碍,但是万一在结束通信的时候需要接收最后一个信息那该怎么办?
假设通信结束,客户端向服务器发送 "Thank you"
服务器需要接收这个信息,之后才能关闭通信
问题就在这之间,服务器并不知道客户端会在通信结束后的什么时刻传来信息
所以我们选择在通信完成后先关闭 服务器的 发送通道(写流),等待客户端发来消息后,关闭剩下的 接收通道(读流)
发送端:

  /* 假设有一个 TCP 的连接,此为客户端 */
  write(sock, "Thank you", 10);
  close(sock); // 写完直接关闭通信

接收端:

  /* 此为服务器 */
  /* 首先关闭写流 */
  shutdown(sock_c, SHUT_WR);
  read(sock_c, get_mess, GET_MAX);
  printf("Message : %s\n", get_mess);
  close(sock_c);
  close(sock_s); // 关闭两个套接字是因为 TCP 服务器端的需要,后续会记录

代码解释
shutdown 函数的作用就是 可选择的关闭那个方向的输出

int shutdown(int sock, int howto);

sock 代表要操作的套接字
howto有几个选择

  • * nix ** : SHUT_RD SHUT_WR SHUT_RDWR
  • Windows : SD_RECEIVE SD_SEND SD_BOTH


下面,有几个结构体,以及一个接口十分重要及常用:

  • struct sockaddr_in6 : 代表的是 IPv6 的地址信息
  • struct addrinfo : 这是一个通用的结构体,里面可以存储 IPv4 或 IPv6 类型地址的信息
  • getaddrinfo : 这是一个十分方便的接口,在上述 UDP 程序中许多手动填写的部分,都能够省去,有该函数替我们完成

改写一下上方的例子:

接收端:

  int sock; /* 套接字 */
  socklen_t addr_len; /* 发送端的地址长度,用于 recvfrom */
  char mess[15];
  char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
  struct sockaddr_in host_v4; /* IPv4 地址 */
  struct sockaddr_in6 host_v6; /* IPv6 地址 */
  struct addrinfo easy_to_use; /* 用于设定要获取的信息以及如何获取信息 */
  struct addrinfo *result;  /* 用于存储得到的信息(需要注意内存泄露) */
  struct addrinfo * p;

  /* 准备信息 */
  memset(&easy_to_use, 0, sizeof easy_to_use);
  easy_to_use.ai_family = AF_UNSPEC; /* 告诉接口,我现在还不知道地址类型 */
  easy_to_use.ai_flags = AI_PASSIVE; /* 告诉接口,稍后“你”帮我填写我没明确指定的信息 */
  easy_to_use.ai_socktype = SOCK_DGRAM; /* UDP 的套接字 */
  /* 其余位都为 0 */

  /* 使用 getaddrinfo 接口 */
  getaddrinfo(NULL, argv[1], &easy_to_use, &result); /* argv[1] 中存放字符串形式的 端口号 */

  /* 创建套接字,此处会产生两种写法,但更保险,可靠的写法是如此 */
  /* 旧式方法
  * sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  */
  /* 把IP 和 端口号信息绑定在套接字上 */
  /* 旧式方法
  * memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
  * recv_host.sin_family = AF_INET;
  * recv_host.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 接收任意的IP */
  * recv_host.sin_port = htons(6000); /* 使用6000 端口号 */
  * bind(sock, (struct sockaddr *)&recv_host, sizeof(recv_host));
  */

  for(p = result; p != NULL; p = p->ai_next) /* 该语法需要开启 -std=gnu99 标准*/
  {
    sock = socket(p->ai_family, p->ai_socktype, p->ai_protocol);
    if(sock == -1)
     continue;
    if(bind(sock, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == -1)
    {
     close(sock);
     continue;
    }
    break; /* 如果能执行到此,证明建立套接字成功,套接字绑定成功,故不必再尝试。 */
  }

  /* 进入接收信息的状态 */
  //recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&send_host, &addr_len);
  switch(p->ai_socktype)
  {
   case AF_INET :
    addr_len = sizeof host_v4;
    recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&host_v4, &addr_len);
    break;
    case AF_INET6:
     addr_len = sizeof host_v6
     recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&host_v6, &addr_len);
     break;
    default:
     break;
  }
  freeaddrinfo(result); /* 释放这个空间,由getaddrinfo分配的 */
  /* 接收完成,关闭套接字 */
  close(sock);

代码解释:

首先解释几个新的结构体

struct addrinfo 这个结构体的内部顺序对于 *nix 和 Windows 稍有不同,以 *nix 为例

 struct addrinfo{
  int ai_flags;
  int ai_family;
  int ai_socktype;
  int ai_protocol;
  socklen_t ai_addrlen;
  struct sockaddr * ai_addr; /* 存放结果地址的地方 */
  char * ai_canonname; /* 忽略它吧,很长一段时间你无须关注它 */
  struct addrinfo * ai_next; /* 一个域名/IP地址可能解析出多个不同的 IP */
 };

ai_family 如果设定为 AF_UNSPEC 那么在调用 getaddrinfo 时,会自动帮你确定,传入的地址是什么类型的
ai_flags 如果设定为 AI_PASSIVE 那么调用 getaddrinfo 且向其第一个参数传入 NULL 时会自动绑定自身 IP,相当于设定 INADDR_ANY

  • ai_socktype 就是要创建的套接字类型,这个必须明确声明,系统没法预判(日后人工智能说不定呢?)
  • ai_protocol 一般情况下我们设置为 0,含义可以自行查找,例如 MSDN 或者 UNP
  • ai_addr 这里保存着结果,可以通过 调用getaddrinfo之后 的第四个参数获得。
  • ai_addrlen 同上
  • ai_next 同上

getaddrinfo 强大的接口函数

  int getaddrinfo(const char * node, const char * service,
                    const struct addrinfo * hints, struct addrinfo ** res);
通俗的说这几个参数的作用
node 便是待获取或者待绑定的 域名 或是 IP,也就是说,这里可以直接填写域名,由操作系统来转换成 IP 信息,或者直接填写IP亦可,是以字符串的形式
service 便是端口号的意思,也是字符串形式
hints 通俗的来说就是告诉接口,我需要你反馈哪些信息给我(第四个参数),并将这些信息填写到第四个参数里。
res 便是保存结果的地方,需要注意的是,这个结果在API内部是动态分配内存了,所以使用完之后需要调用另一个接口(freeaddrinfo)将其释放
实际上对于现代的 套接字编程 而言,多了几个新的存储 IP 信息的结构体,例如 struct sockaddr_in6 和 struct sockaddr_storage 等。

其中,前者是后者的大小上的子集,即一个 struct storage 一定能够装下一个 struct sockaddr_in6,具体(实际上根本看不到有意义的实现)

  struct sockaddr_in6{
   u_int16_t sin6_family;
   u_int16_t sin6_port;
   u_int32_t sin6_flowinfo; /* 暂时忽略它 */
   struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 的地址存放在此结构体中 */
   u_int32_t sin_scope_id; /* 暂时忽略它 */
  };
  struct in6_addr{
   unsigned char s6_addr[16];
  }
  ------------------------------------------------------------
  struct sockaddr_storage{
   sa_family_t ss_family; /* 地址的种类 */
   char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE]; /* 从此处开始,不是实现者几乎是没办法理解 */
   int64_t __ss_align;      /* 从名字上可以看出大概是为了兼容两个不同 IP 类型而做出的妥协 */
   char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE]; /* 隐藏了实际内容,除了 IP 的种类以外,无法直接获取其他的任何信息。 */
   /* 在各个*nix 的具体实现中, 可能有不同的实现,例如 `__ss_pad1` , `__ss_pad2` , 可能合并成一个 `pad` 。 */
  };

在实际中,我们往往不需要为不同的IP类型声明不同的存储类型,直接使用 struct sockaddr_storage 就可以,使用时直接强制转换类型即可

改写上方 接收端 例子中,进入接收信息的状态部分

  /* 首先将多于的变量化简 */
  // - struct sockaddr_in host_v4; /* IPv4 地址 */
  // - struct sockaddr_in6 host_v6; /* IPv6 地址
  struct sockaddr_storage host_ver_any; /* + 任意类型的 IP 地址 */
  ...
  /* 进入接收信息的状态部分 */
  recvfrom(sock, mess, 15, 0, (struct sockaddr *)&host_ver_any, &addr_len); /* 像是又回到了只有 IPv4 的年代*/

补充完整上方对应的 发送端 代码

  int sock;
  const char* mess = "Hello Server!";
  char get_mess[GET_MAX]; /* 后续版本使用 */
  struct sockaddr_storage recv_host; /* - struct sockaddr_in recv_host; */
  struct addrinfo tmp, *result;
  struct addrinfo *p;
  socklen_t addr_len;

  /* 获取对端的信息 */
  memset(&tmp, 0, sizeof tmp);
  tmp.ai_family = AF_UNSPEC;
  tmp.ai_flags = AI_PASSIVE;
  tmp.ai_socktype = SOCK_DGRAM;
  getaddrinfo(argv[1], argv[2], &tmp, &result); /* argv[1] 代表对端的 IP地址, argv[2] 代表对端的 端口号 */

  /* 创建套接字 */
  for(p = result; p != NULL; p = p->ai_next)
  {
   sock = socket(p->ai_family, p->ai_socktype, p->ai_protocol); /* - sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); */
   if(sock == -1)
    continue;
   /* 此处少了绑定 bind 函数,因为作为发送端不需要讲对端的信息 绑定 到创建的套接字上。 */ 
   break; /* 找到就可以退出了,当然也有可能没找到,那么此时 p 的值一定是 NULL */
  }
  if(p == NULL)
  {
   /* 错误处理 */
  }
  /* -// 设定对端信息
  memset(&recv_host, 0, sizeof(recv_host));
  recv_host.sin_family = AF_INET;
  recv_host.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  recv_host.sin_port = htons(6000);
  */

  /* 发送信息 */
  /* 在此处,发送端的IP地址和端口号等各类信息,随着这个函数的调用,自动绑定在了套接字上 */
  sendto(sock, mess, strlen(mess), 0, p->ai_addr, p->ai_addrlen);
  /* 完成,关闭 */
  freeaddrinfo(result); /* 实际上这个函数应该在使用完 result 的地方就予以调用 */
  close(sock);        

到了此处,实际上是开了网络编程的一个初始,解除了现代的 UDP 最简单的用法(甚至还算不上完整的使用),但是确实是进行了交互。
介绍 UDP 并不是因为它简单,而是因为他简洁,也不是因为它不重要,相反他其实很强大。
永远不要小看一个简洁的东西,就像 C语言

ARP 协议

最简便的方法就是找一个有 WireShark 软件或者 tcpdump 的 *nix 平台,前者你可以选择随意监听一个机器,不多时就能看见 ARP 协议的使用,因为它使用的太频繁了。
对于 ARP 协议而言,首先对于一台机器 A,想与 机器B 通信,(假设此时 机器A 的高速缓存区(操作系统一定时间更新一次)中 没有 机器B的缓存),
那么机器A就向广播地址发出 ARP请求,如果 机器B 收到了这个请求,就将自己的信息(IP地址,MAC地址)填入 ARP应答 中,再发送回去就行。
上述中, ARP请求 和 ARP应答 是一种报文形式的信息,是 ARP协议 所附带的实现产品,也是用于两台主机之间进行通信。
这是当 机器A 和 机器B 同处于一个网络的情况下,可以借由本网络段的广播地址 发送请求报文。
对于不同网络段的 机器A 与 机器B 而言,想要通过 ARP协议 获取 MAC地址 ,就需要借助路由器的帮助了,可以想象一下,路由器(可以不止一个)在中间,机器A 和 机器B 分别在这些路由器的两边(即在不同子网)
由于 A 和 B 不在同一个子网内,所以没办法通过通过直接通过广播到达,但是有了路由器,就能进行 ARP代理 的操作,大概就是将路由器当成机器B, A向自己的本地路由器发送 ARP请求
之后路由器判断出是发送给B的ARP请求,又正好 B 在自己的管辖范围之内,就把自己的硬件地址 写入 ARP应答 中发回去,之后再有A向B 的数据,就都是A先发送给路由器,再经由路由器发往B了

ICMP协议

这个协议比较重要。
请求应答报文 和 差错报文 ,重点在于差错报文。
请求应答报文在 ICMP 的应用中可以拿来查询本机的子网掩码之类的信息,大致通过向本子网内的所有主机发送该请求报文(包括自己,实际上就是广播),后接收应答,得到信息
差错报文在后续中会有提到,这里需要科普一二。
首先对于差错报文的一大部分是关于 xxx不可达 的类型,例如主机不可达,端口不可达等等,每次出现错误的时候,ICMP报文总是第一时间返回给对端,(它一次只会出现一份,否则会造成网络风暴),但是对端是否能够接收到,就不是发送端的问题了。
这点上 套接字的类型 有着一定的联系,例如 UDP 在 unconnected 状态下是会忽略 ICMP报文的。而 TCP 因为总是 connected 的,所以对于 ICMP报文能很好的捕捉。
ICMP差错报文中总是带着 出错数据报中的一部分真实数据,用于配对。

需要 登录 后回复方可回复, 如果你还没有账号你可以 注册 一个帐号。