編寫Linux下的UDP Client/Server程序

一、引言
UDP是TCP/IP協議中的傳輸層協議的一種，本文介紹了在Linux下編寫基于UDP協議的Client/Server模型的程序的方法，并給出了一個echo Client/Server例子程序。

二、UDP協議簡介
UDP是一種簡單的傳輸層協議，在RFC768中有詳細描述。UDP協議是一種非連接的、不可靠的數據報文協議，完全不同于提供面向連接的、可靠的字節流的TCP協議。雖然UDP有很多不足，但是還是有很多網絡程序使用它，例如DNS（域名解析服務）、NFS（網絡文件系統）、SNMP（簡單網絡管理協議）等。
通常，UDP Client程序不和Server程序建立連接，而是直接使用sendto()來發送數據。同樣，UDP Server程序不需要允許Client程序的連接，而是直接使用recvfrom()來等待直到接收到Client程序發送來的數據。
這里，我們使用一個簡單的echo Client/Server程序來介紹在Linux下編寫UDP程序的方法。Client程序從stdin讀取數據并通過網絡發送到Server程序，Server程序在收到數據后直接再發送回Client程序，Client程序收到Server發回的數據后再從stdout輸出。

三、UDP Server程序
1、編寫UDP Server程序的步驟
(1)使用socket()來建立一個UDP socket，第二個參數為SOCK_DGRAM。
(2)初始化sockaddr_in結構的變量，并賦值。sockaddr_in結構定義：
struct sockaddr_in {
uint8_t sin_len;
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
這里使用“08”作為服務程序的端口，使用“INADDR_ANY”作為綁定的IP地址即任何主機上的地址。
(3)使用bind()把上面的socket和定義的IP地址和端口綁定。這里檢查bind()是否執行成功，如果有錯誤就退出。這樣可以防止服務程序重復運行的問題。
(4)進入無限循環程序，使用recvfrom()進入等待狀態，直到接收到客戶程序發送的數據，就處理收到的數據，并向客戶程序發送反饋。這里是直接把收到的數據發回給客戶程序。

2、udpserv.c程序內容：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888

void do_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
{
int n;
socklen_t len;
char mesg[MAXLINE];

for(;;)
{
len = clilen;
/* waiting for receive data */
n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
/* sent data back to client */
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
}
}

int main(void)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* create a socket */

/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

/* bind address and port to socket */
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
perror("bind error");
exit(1);
}

do_echo(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));

return 0;
}


四、UDP Client程序
1、編寫UDP Client程序的步驟
(1)初始化sockaddr_in結構的變量，并賦值。這里使用“8888”作為連接的服務程序的端口，從命令行參數讀取IP地址，并且判斷IP地址是否符合要求。
(2)使用socket()來建立一個UDP socket，第二個參數為SOCK_DGRAM。
(3)使用connect()來建立與服務程序的連接。與TCP協議不同，UDP的connect()并沒有與服務程序三次握手。上面我們說了UDP是非連接的，實際上也可以是連接的。使用連接的UDP，kernel可以直接返回錯誤信息給用戶程序，從而避免由于沒有接收到數據而導致調用recvfrom()一直等待下去，看上去好像客戶程序沒有反應一樣。
(4)向服務程序發送數據，因為使用連接的UDP，所以使用write()來替代sendto()。這里的數據直接從標準輸入讀取用戶輸入。
(5)接收服務程序發回的數據，同樣使用read()來替代recvfrom()。
(6)處理接收到的數據，這里是直接輸出到標準輸出上。

2、udpclient.c程序內容：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888

void do_cli(FILE *fp, int sockfd, struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
{
int n;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];

/* connect to server */
if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen) == -1)
{
perror("connect error");
exit(1);
}

while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
/* read a line and send to server */
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
/* receive data from server */
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if(n == -1)
{
perror("read error");
exit(1);
}
recvline[n] = 0; /* terminate string */
fputs(recvline, stdout);
}
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in srvaddr;

/* check args */
if(argc != 2)
{
printf("usage: udpclient <IPaddress>\n");
exit(1);
}

/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
{
printf("[%s] is not a valid IPaddress\n", argv[1]);
exit(1);
}

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

do_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

return 0;
}


五、運行例子程序
1、編譯例子程序
使用如下命令來編譯例子程序：
gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c
編譯完成生成了udpserv和udpclient兩個可執行程序。

2、運行UDP Server程序
執行./udpserv &命令來啟動服務程序。我們可以使用netstat -ln命令來觀察服務程序綁定的IP地址和端口，部分輸出信息如下：
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
tcp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:6000 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN
udp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:8888 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:882 0.0.0.0:*
可以看到udp處有“0.0.0.0:8888”的內容，說明服務程序已經正常運行，可以接收主機上任何IP地址且端口為8888的數據。
如果這時再執行./udpserv &命令，就會看到如下信息：
bind error: Address already in use
說明已經有一個服務程序在運行了。

3、運行UDP Client程序
執行./udpclient 127.0.0.1命令來啟動客戶程序，使用127.0.0.1來連接服務程序，執行效果如下：
Hello, World!
Hello, World!
this is a test
this is a test
^d
輸入的數據都正確從服務程序返回了，按ctrl+d可以結束輸入，退出程序。
如果服務程序沒有啟動，而執行客戶程序，就會看到如下信息：
$ ./udpclient 127.0.0.1
test
read error: Connection refused
說明指定的IP地址和端口沒有服務程序綁定，客戶程序就退出了。這就是使用connect()的好處，注意，這里錯誤信息是在向服務程序發送數據后收到的，而不是在調用connect()時。如果你使用tcpdump程序來抓包，會發現收到的是ICMP的錯誤信息。