【Linux】Socket编程——UDP版

愚润求学

1403人浏览 · 2025-08-09 09:02:19

愚润求学 · 2025-08-09 09:02:19 发布

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux——udpsocket

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这里写目录标题

一、预备理论知识
二、重要接口
三、理解通信流程
四，实操案例
- 1. 单词翻译
- 2. 简单群聊

一、预备理论知识

计算机之间通过网络进行数据的传输(Socket通信)，本质上是：两个计算机的两个进程间进行通信（进程是人的代表）
- 两个网络进程间通信，看到的同一份资源是网路
- 每个数据的发送和接收都必须经过套接字（socket）
  - 套接字负责维护网络通信的各种信息（如本地/远程地址、端口、协议类型等）。
  - 操作系统通过套接字来区分不同的网络连接和数据流。
  - 只有通过套接字，操作系统才能知道数据要发到哪里、从哪里收。
- IP 用来标识是哪一台主机，Port端口号用来标识是主机上的哪一个进程
- 一个端口号只能被一个进程占用，但是一个进程可以绑定多个端口号
如何理解绑定？
- 我们可以认为传输层有一张元素为：<端口号, 进程链表> 的hash
- 当一个进程要和一个端口号绑定的时候，就会被加入到对应端口号的链表当中
- 当收到网络传输过来的报文以后，就会提取(传输层有多种协议)其中的目的端口，然后去hash里面找到对应的进程（把数据交给对应的进程）

二、重要接口

1. socket

创建网络套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：协议族，确定网络层使用的协议
- 可以选：AF_INET(IPv4 协议)，AF_INET6(IPv6 协议)…
type：套接字类型（常用的如下）
- SOCK_DGRAM：无连接的 UDP 协议
- SOCK_STREAM：面向连接的 TCP 协议
protocol：通常用 0 就行

TCP 是面向连接、可靠的字节流传输协议（需三次握手建立连接，数据无丢失、有序到达），而 UDP 是无连接、不可靠的数据包传输协议（无需建立连接，数据可能丢失、无序，但是更简单，更快）

2. 发 / 收信息

向指定的IP和端口发消息

// ssize_t 是一个有符号整数类型
ssize_t sendto(
		int sockfd,          // 已绑定的套接字描述符
		const void *buf,     // 要发送数据的缓冲区
		size_t len,          // 数据长度 
		int flags,           // 发送标志
        const struct sockaddr *dest_addr,  // 目标地址结构指针
        socklen_t addrlen);  // 目标地址结构的长度

从指定 IP 和端口接收信息，将数据从内核层的Socket接收到用户层的缓冲区

ssize_t recvfrom(
		int sockfd,  // 从哪个套接字接收(远端传来的数据是先存到套接字缓冲区的)
		void *buf,   
		size_t len, 
		int flags, 
        struct sockaddr *src_addr,  // 接收到的数据来自哪个地址（对端地址）
        socklen_t *addrlen);

两个sockfd是一个东西，通过它向服务端发送数据，也通过它接收服务端返回的数据。

3. sockaddr结构体

struct sockaddr是一个C语言版本的“基类”（我们在传递参数的时候，要强转成：struct sockaddr*）

绑定IP和端口号就是填充对应不同协议的结构体，填充IPV4的struct sockaddr_in：

sin_family：地址家族
sin_port ：端口号
sin_addr.s_addr：IP（在sockaddr_in里面专门用一个sin_addr来管理IP，里面有本地主机以 uint32_t 存储的IPs_addr）

4. bind

bind() 是一个核心系统调用，用于将套接字（socket）与特定的 IP 地址和端口号绑定，从而让程序能够在指定的地址和端口上接收网络请求。

int bind(int sockfd,  // 套接字描述符
		const struct sockaddr *addr,  // sockaddr 结构体
		socklen_t addrlen);  // addr 结构体的长度

5. 本地和网络的序列转换

关于大小端存储：
不同的机器，可能会用不同的方案（大小端）来存储IP，为了统一，网络规定，发到网络上的必须是大端的。所以需要转换。

网络转主机：

ntohs：转端口
inet_ntop：转 IP

#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

参数说明

af：地址族（Address Family），指定 IP 地址类型：
- AF_INET：表示处理 IPv4 地址
- AF_INET6：表示处理 IPv6 地址
src：指向二进制格式 IP 地址的指针：
- 对于 IPv4，通常是 struct in_addr* 类型（存储在 struct sockaddr_in 的 sin_addr 成员中）
- 对于 IPv6，通常是 struct in6_addr* 类型（存储在 struct sockaddr_in6 的 sin6_addr 成员中）
dst：指向用于存储转换结果的字符串缓冲区的指针，转换后的 IP 地址字符串会被写入这里。
size：dst 缓冲区的大小（字节数），用于防止缓冲区溢出。建议使用标准宏：
- INET_ADDRSTRLEN：IPv4 地址字符串最大长度（16 字节，如 “255.255.255.255” 加终止符）
- INET6_ADDRSTRLEN：IPv6 地址字符串最大长度（46 字节，如 “ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff” 加终止符）

主机转网络（是上面的逆操作）

htons接口：将 16 位端口号从主机字节序转换为网络字节序（大端序，内部会自行判断是否需要转换）
inet_pton：转IP，将字符串形式的IP地址转换成网络序列（二进制，存储在结构体中）

示例：

// 处理 IPv4
struct in_addr ipv4_addr;
if (inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &ipv4_addr) == 1) {
    // 转换成功
}

// 处理 IPv6
struct in6_addr ipv6_addr;
if (inet_pton(AF_INET6, "2001:db8::1", &ipv6_addr) == 1) {
    // 转换成功
}

转换好的结果会被存在ipv6_addr这个结构体里面

三、理解通信流程

服务端创建

服务端创建 socket 套接字，然后 bind 一个 ip + port，则后续发送到这个 ip + port 的信息都会到这个套接字

客户端创建

客户端创建socket，但是不需要显式bind

客户端发送信息给服务端

客户端调用sendto发送信息给服务端（这里当然需要知道服务端的ip+port，参见sendto接口），如果这时候，客户端的socket没有绑定，则系统会自动给客户端分配一个ip+port来绑定这个socket

服务端接收客户端的信息

服务端调用recvfrom从自己的socket接受信息（客户端发送信息到的ip+port是和服务端的这个socket绑定的），于是便拿到了客户端发送的信息
如果在recvfrom中保存来自客户端的信息，则此时拿到的发送方（客户端）的ip+port，就是之前系统自动分配给客户端的，用于标识（发送方）主机唯一性的

套接字通信的工作原理

套接字绑定ip和port，即相当于作为这个主机的这个进程的网络通信窗口
当要某个主机要把数据发送出去的时候，其实是通过自己绑定的socket的发送缓冲区发送的。要发送到某个ip+port，其实是发送到了它绑定的socket的接收缓冲区。

sendto函数工作原理：

数据复制：把传入的buffer的数据复制到源套接字的发送缓冲区
补全源地址信息：如果这个套接字没有绑定源ip和port，系统会自动分配临时的并绑定
打包成 UDP 数据包：内核会从发送缓冲区取出数据，加上UDP头部，IP头部
发送：把这个数据包交给网卡，网卡通过物理网络（网线）发送到目标地址
数据一旦复制到内核缓冲区，sendto 就会返回（不会等数据实际到达目标），返回成功复制的字节数【也就是说，于我们而言，数据能正常到socket发送缓冲区我们就认为发送了，后续的事（打包，路由，发送）是内核干的，对我们透明】