基于Socket的UDP和TCP編程介紹

作者：王姍姍，華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式學(xué)院講師。

一、概述

TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)TCP/IP模型中傳輸層一層中的兩個(gè)不同的通信協(xié)議。

TCP：傳輸控制協(xié)議，一種面向連接的協(xié)議，給用戶進(jìn)程提供可靠的全雙工的字節(jié)流，TCP套接口是字節(jié)流套接口(stream socket)的一種。

UDP：用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。UDP是一種無(wú)連接協(xié)議。UDP套接口是數(shù)據(jù)報(bào)套接口(datagram socket)的一種。

二、TCP和UDP介紹

1）基本TCP客戶—服務(wù)器程序設(shè)計(jì)基本框架

說(shuō)明：（三路握手）

1.客戶端發(fā)送一個(gè)SYN段（同步序號(hào)）指明客戶打算連接的服務(wù)器端口，以及初始化序號(hào)(ISN) 。

2.服務(wù)器發(fā)回包含服務(wù)器的初始序號(hào)的SYN報(bào)文段作為應(yīng)答。同時(shí)，將確認(rèn)序號(hào)(ACK)設(shè)置為客戶的ISN加1以對(duì)客戶的SYN 報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)。一個(gè)SYN將占用一個(gè)序號(hào)。

3.客戶必須將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為服務(wù)器的ISN加1以對(duì)服務(wù)器的SYN報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)。

2) 基本TCP客戶—服務(wù)器程序設(shè)計(jì)基本框架流程圖

3) UDP和TCP的對(duì)比：

從上面的流程圖比較我們可以很明顯的看出UDP沒(méi)有三次握手過(guò)程。

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)。UDP處理的細(xì)節(jié)比TCP少。UDP不能保證消息被傳送到（它也報(bào)告消息沒(méi)有傳送到）目的地。UDP也不保證數(shù)據(jù)包的傳送順序。UDP把數(shù)據(jù)發(fā)出去后只能希望它能夠抵達(dá)目的地。

TCP優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

1．TCP提供以認(rèn)可的方式顯式地創(chuàng)建和終止連接。

2．TCP保證可靠的、順序的（數(shù)據(jù)包以發(fā)送的順序接收）以及不會(huì)重復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸。

3．TCP處理流控制。

4．允許數(shù)據(jù)優(yōu)先

5．如果數(shù)據(jù)沒(méi)有傳送到，則TCP套接口返回一個(gè)出錯(cuò)狀態(tài)條件。

6．TCP通過(guò)保持連續(xù)并將數(shù)據(jù)塊分成更小的分片來(lái)處理大數(shù)據(jù)塊。—無(wú)需程序員知道

缺點(diǎn)： TCP在轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)時(shí)必須創(chuàng)建（并保持）一個(gè)連接。這個(gè)連接給通信進(jìn)程增加了開(kāi)銷，讓它比UDP速度要慢。

UDP優(yōu)缺點(diǎn)：

1．UDP不要求保持一個(gè)連接

2．UDP沒(méi)有因接收方認(rèn)可收到數(shù)據(jù)包（或者當(dāng)數(shù)據(jù)包沒(méi)有正確抵達(dá)而自動(dòng)重傳）而帶來(lái)的開(kāi)銷。

3．設(shè)計(jì)UDP的目的是用于短應(yīng)用和控制消息

4．在一個(gè)數(shù)據(jù)包連接一個(gè)數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上，UDP要求的網(wǎng)絡(luò)帶寬比TDP更小。

三、Socket編程

Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來(lái)開(kāi)發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。要學(xué)Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須理解Socket接口。

Socket接口設(shè)計(jì)者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個(gè)類似于打開(kāi)文件的函數(shù)調(diào)用Socket()，該函數(shù)返回一個(gè)整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^(guò)該Socket實(shí)現(xiàn)的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對(duì)于面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)報(bào)式Socket是一種無(wú)連接的Socket，對(duì)應(yīng)于無(wú)連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

1、socket調(diào)用庫(kù)函數(shù)主要有：

創(chuàng)建套接字

Socket(af,type,protocol)

建立地址和套接字的聯(lián)系

bind(sockid, local addr, addrlen)

服務(wù)器端偵聽(tīng)客戶端的請(qǐng)求

listen( Sockid ,quenlen)

建立服務(wù)器/客戶端的連接 (面向連接TCP）

客戶端請(qǐng)求連接

Connect(sockid, destaddr, addrlen)

服務(wù)器端等待從編號(hào)為Sockid的Socket上接收客戶連接請(qǐng)求

newsockid=accept(Sockid，Clientaddr, paddrlen)

發(fā)送/接收數(shù)據(jù)

面向連接：send(sockid, buff, bufflen)

recv( )

面向無(wú)連接：sendto(sockid,buff,…,addrlen)

recvfrom( )

釋放套接字

close(sockid)

2、TCP/IP應(yīng)用編程接口（API）

服務(wù)器的工作流程：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Socket，然后調(diào)用bind函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個(gè)本地端口號(hào)綁定，然后調(diào)用listen在相應(yīng)的socket上*，當(dāng)accpet接收到一個(gè)連接服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，將生成一個(gè)新的socket。服務(wù)器顯示該客戶機(jī)的IP地址，并通過(guò)新的socket向客戶端發(fā)送字符串" hi,I am server!"。最后關(guān)閉該socket。

main()
{
intsock_fd,client_fd;/*sock_fd：*socket；client_fd：數(shù)據(jù)傳輸socket*/
structsockaddr_inser_addr;/*本機(jī)地址信息*/
structsockaddr_incli_addr;/*客戶端地址信息*/
char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 緩沖區(qū)*/
ser_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*創(chuàng)建連接的SOCKET */
if(ser_sockfd<0)
{/*創(chuàng)建失敗 */
fprintf(stderr,"socker Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化服務(wù)器地址*/
addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
bzero(&ser_addr,addrlen);
ser_addr.sin_family=AF_INET;
ser_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
ser_addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
if(bind(ser_sockfd,(struct sockaddr*)&ser_addr,sizeof(struct sockaddr_in))<0)
{ /*綁定失敗 */
fprintf(stderr,"Bind Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/*偵聽(tīng)客戶端請(qǐng)求*/
if(listen(ser_sockfd,BACKLOG)<0)
{
fprintf(stderr,"Listen Error:%sn",strerror(errno));
close(ser_sockfd);
exit(1);
}
while(1)
{/* 等待接收客戶連接請(qǐng)求*/
cli_sockfd=accept(ser_sockfd,(struct sockaddr*) &cli_addr,&addrlen);
if(cli_sockfd<=0)
{
fprintf(stderr,"Accept Error:%sn",strerror(errno));
}
else
{/*開(kāi)始服務(wù)*/
recv(cli_addr,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受數(shù)據(jù)*/
printf("receivedaconnectionfrom%sn",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
printf("%sn",msg);/*在屏幕上打印出來(lái) */
strcpy(msg,"hi,I am server!");
send(cli_addr,msg,sizeof(msg),0); /*發(fā)送的數(shù)據(jù)*/
close(cli_addr);
}
}
close(ser_sockfd);
}

客戶端的工作流程：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Socket，然后調(diào)用bind函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個(gè)本地端口號(hào)綁定，請(qǐng)求連接服務(wù)器，通過(guò)新的socket向客戶端發(fā)送字符串" hi,I am client!"。最后關(guān)閉該socket。

main()
{
int cli_sockfd;/*客戶端SOCKET */
int addrlen;
char seraddr[14];
struct sockaddr_in ser_addr,/* 服務(wù)器的地址*/
cli_addr;/* 客戶端的地址*/
char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 緩沖區(qū)*/
GetServerAddr(seraddr);
cli_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*創(chuàng)建連接的SOCKET */
if(ser_sockfd<0)
{/*創(chuàng)建失敗 */
fprintf(stderr,"socker Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化客戶端地址*/
addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
bzero(&ser_addr,addrlen);
cli_addr.sin_family=AF_INET;
cli_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
cli_addr.sin_port=0;
if(bind(cli_sockfd,(struct sockaddr*)&cli_addr,addrlen)<0)
{
/*棒定失敗 */
fprintf(stderr,"Bind Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化服務(wù)器地址*/
addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
bzero(&ser_addr,addrlen);
ser_addr.sin_family=AF_INET;
ser_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(seraddr);
ser_addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
if(connect(cli_sockfd,(struct sockaddr*)&ser_addr,&addrlen)!=0)/*請(qǐng)求連接*/
{
/*連接失敗 */
fprintf(stderr,"Connect Error:%sn",strerror(errno));
close(cli_sockfd);
exit(1);
}
strcpy(msg,"hi,I am client!");
send(sockfd,msg,sizeof(msg),0);/*發(fā)送數(shù)據(jù)*/
recv(sockfd,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受數(shù)據(jù)*/
printf("%sn",msg);/*在屏幕上打印出來(lái) */
close(cli_sockfd);
}

3、UDP/IP應(yīng)用編程接口（API）

服務(wù)器的工作流程：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Socket，然后調(diào)用bind函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個(gè)本地端口號(hào)綁定，接收到一個(gè)客戶端時(shí)，服務(wù)器顯示該客戶端的IP地址，并將字串返回給客戶端。

int main(int argc,char **argv)
{
int ser_sockfd;
int len;
//int addrlen;
socklen_t addrlen;
char seraddr[100];
struct sockaddr_in ser_addr;
/*建立socket*/
ser_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(ser_sockfd<0)
{
printf("I cannot socket successn");
return 1;
}
/*填寫sockaddr_in 結(jié)構(gòu)*/
addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
bzero(&ser_addr,addrlen);
ser_addr.sin_family=AF_INET;
ser_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
ser_addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);
/*綁定客戶端
if(bind(ser_sockfd,(struct sockaddr *)&ser_addr,addrlen)<0)
{
printf("connect");
return 1;
}
while(1)
{
bzero(seraddr,sizeof(seraddr));
len=recvfrom(ser_sockfd,seraddr,sizeof(seraddr),0,(struct sockaddr*)&ser_addr,&addrlen);
/*顯示client端的網(wǎng)絡(luò)地址*/
printf("receive from %sn",inet_ntoa(ser_addr.sin_addr));
/*顯示客戶端發(fā)來(lái)的字串*/
printf("recevce:%s",seraddr);
/*將字串返回給client端*/
sendto(ser_sockfd,seraddr,len,0,(struct sockaddr*)&ser_addr,addrlen);
}
}

客戶端的工作流程：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Socket，填寫服務(wù)器地址及端口號(hào)，從標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備中取得字符串，將字符串傳送給服務(wù)器端，并接收服務(wù)器端返回的字符串。最后關(guān)閉該socket。

int GetServerAddr(char * addrname)
{
printf("please input server addr:");
scanf("%s",addrname);
return 1;
}
int main(int argc,char **argv)
{
int cli_sockfd;
int len;
socklen_t addrlen;
char seraddr[14];
struct sockaddr_in cli_addr;
char buffer[256];
GetServerAddr(seraddr);
/* 建立socket*/
cli_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(cli_sockfd<0)
{
printf("I cannot socket successn");
return 1;
}
/* 填寫sockaddr_in*/
addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
bzero(&cli_addr,addrlen);
cli_addr.sin_family=AF_INET;
cli_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(seraddr);
//cli_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
cli_addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);

bzero(buffer,sizeof(buffer));
/* 從標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備取得字符串*/
len=read(STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));
/* 將字符串傳送給server端*/
sendto(cli_sockfd,buffer,len,0,(struct sockaddr*)&cli_addr,addrlen);
/* 接收server端返回的字符串*/
len=recvfrom(cli_sockfd,buffer,sizeof(buffer),0,(struct sockaddr*)&cli_addr,&addrlen);
//printf("receive from %sn",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
printf("receive: %s",buffer);
close(cli_sockfd);
}

四、調(diào)試

Makefile文件為：

CC=gcc
all:server client
CFLAGS=-o
server: server.c
$(CC) $(CFLAGS) $@ server.c
client: client.c
$(CC) $(CFLAGS) $@ client.c

clean:
rm -f server client

在shell中執(zhí)行make進(jìn)行編譯，make clean刪除生成文件。

運(yùn)行結(jié)果如下圖：

“本文由華清遠(yuǎn)見(jiàn)http://www.embedu.org/index.htm提供”