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@FunC 2018-05-15T11:26:13.000000Z 字数 3652 阅读 1893

UNP CH08 基本UDP套接字编程

unix

不同于TCP提供的面向连接的可靠字节流，UDP是无连接不可靠的数据包协议。然而相比TCP，有些场合确实更适合使用UDP，例如DNS、NFS和SNMP。

下面是典型的UDP客户/服务器程序的函数调用：

本章将用UDP重写先前的回射客户/服务器程序。

recvfrom和sendto函数

  1. #include <sys/socket.h>
  3. ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);
  5. ssize_t sendto(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);
  6.                             /*  返回：若成功则返回读或写的字节数，出错返回-1 */

前三个参数与 read 和 write 函数的三个参数类似：描述符、指向读入/写出缓冲区的指针和读/写字节数

flags参数在之后14章讨论recv, send, recvmsg, sendmsg 等函数再介绍，当前先设为0.

sendto 函数的 to 参数指向含有数据报接受者的协议地址（IP+port）的套接字地址结构，大小由addrlen参数指定（所以协议无关）。

recvfrom 的from参数指向返回者的套接字地址结构，地址结构中填写的字节数放在addrlen参数中。注意recvfrom的addrlen参数为 值-结果 参数，填写时是地址结构的buffer大小，返回时是实际写入的大小。

recvfrom 的 from 参数和addrlen参数均为空指针时，说明我们不关心数据发送者的协议地址。

UDP回射服务器程序：dg_echo函数

  1. #include    "unp.h"
  3. void dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen)
  4. {
  5.     int         n;
  6.     socklen_t   len;
  7.     char        mesg[MAXLINE];
  9.     for ( ; ; ) {
  10.         len = clilen;
  11.         n = Recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
  13.         Sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
  14.     }
  15. }

虽然这个函数很简单，但也有一些细节需要考虑：
* 因为UDP是无连接的协议，没有类似EOF之类的东西，所以该函数永不终止
* 这是一个迭代服务器，单个UDP服务器处理所有客户

对于本套接字，UDP层其实是隐含有排队发生的，每个UDP套接字都有一个接受缓冲区，数据包排队进入队列，先进先出。

UDP回射客户程序：dg_cli 函数

  1. #include    "unp.h"
  3. void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, socklen_t servlen)
  4. {
  5.     int n;
  6.     char    sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
  8.     while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
  10.         Sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);
  11.         // 后两个参数为 NULL，说明不关心应答数据由谁发送
  12.         n = Recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, NULL, NULL);
  14.         recvline[n] = 0;    /* null terminate */
  15.         Fputs(recvline, stdout);
  16.     }
  17. }

数据包的丢失

显然上述例子是不可靠的，如果一个客户数据报丢失，那么客户将永远阻塞于dg_cli 函数中的 recvfrom 调用。一般的解决方法是设置一个超时。

然而仅仅设置超时是不够的，我们无从判断超时的原因（我们的数据报没到达服务器还是服务器的应答没有回到客户），关于增加UDP程序的可靠性将在之后22章讨论。

验收接收到的响应

为了确保应答的数据来自于我们的目标地址，我们可以根据recvfrom调用的返回结果，忽略掉其他的数据报：

  1. #include    "unp.h"
  3. void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, socklen_t servlen)
  4. {
  5.     int             n;
  6.     char            sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
  7.     socklen_t       len;
  8.     struct sockaddr *preply_addr;
  9.     // 分配对应的内存空间
  10.     preply_addr = Malloc(servlen);
  12.     while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
  14.         Sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);
  16.         len = servlen;
  17.         n = Recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, preply_addr, &len);
  18.         // 验证长度，比较地址结构本身
  19.         if (len != servlen || memcmp(pservaddr, preply_addr, len) != 0) {
  20.             printf("reply from %s (ignored)\n",
  21.                     Sock_ntop(preply_addr, len));
  22.             continue;
  23.         }
  25.         recvline[n] = 0;    /* null terminate */
  26.         Fputs(recvline, stdout);
  27.     }
  28. }

上面的方案还有一些问题：
因为没有指定发送地址，内核将临时分配地址和端口。对于多宿的服务器主机可能有问题（即有多个IP地址）

解决方案有二：
1. 通过DNS来验证主机域名
2. UDP服务器给配置的每个IP地址创建一个套接字，用bind绑定IP，然后通过select来监听，使用可读的套接字来响应

服务器进程未执行

同样因为UDP是无连接的协议，我们可能在服务器未启动的情况下启动客户，这样客户将永远阻塞于recvfrom调用。那我们是否有办法识别出服务器进程未执行，从而去处理这个错误呢？

查看tcpdump输出能发现，在发出UDP数据报之前，需要一次ARP请求和应答的交换（因为在同一子网下需要知道对方MAC地址，非同一子网至少要知道网关的MAC地址）。如果ARP请求失败，会响应一个ICMP错误信息（但是不会返回给客户进程）

这个ICMP错误称为异步错误。这是因为虽然错误由sendto引起，但sendto却成功返回，而该错误在一段时间后才返回。（sendto成功返回其实只能说明接口输出队列中具有存放所形成IP数据报的空间）

异步错误不返回给客户进程，我们可以考虑单个UDP套接字上接连发送3个数据报给3个不同的服务器。出错时，客户需要知道到底是哪个服务器的应答出错了。但是recvfrom可以返回的错误信息仅有errno值，不能返回出错数据报的目的IP地址和目的UDP端口号。所以仅在进程已将其UDP套接字连接到恰恰一个对端后，这些异步错误才返回给进程。

UDP 的 connect 函数

可以给UDP套接字调用connect，但是结果于TCP不同，内核只会检查是否存在立即可知的错误（如目的地显然不可达），记录对端的IP和port后立即返回到调用进程。

于是我们需要区分：
* 未连接UDP套接字
* 已连接UDP套接字：对UDP套接字调用connect的结果

connect后的UDP套接字有3点不同：
1. 不再需要制定目的IP和port。所以我们不使用sendto，而改用write或send
2. 不必使用recvfrom来获悉响应的发送者，而改用read，recv或recvmsg。只有来自connect所制定协议地址的数据报才会被写入套接字
3. 已连接UDP套接字引发的异步错误会返回给她所在的进程

给一个UDP套接字多次调用connect

不同于TCP套接字，可以对UDP套接字多次调用connect，目的有两种：
1. 指定新的IP地址和端口号
2. 断开套接字

性能

在未连接UDP套接字上调用sendto时，内核暂时连接该套接字，发送数据，然后就断开连接。因此要给同一目的地址发送多个数据报时，使用已连接UDP套接字效率更高

UDP 缺乏流量控制

不同于TCP，UDP没有流量控制。如果接收方的UDP套接字缓冲区满了，后续的数据报将被直接丢弃。同应用进程也不知道这些数据报已丢失。

UDP 中的外出接口的确定

已连接UDP套接字还有一个功能，就是可以用于确定特定目的地的外出接口。这是因为调用connect函数时，内核选择本地IP地址，这个本地IP地址通过为目的IP地址搜索路由表得到外出接口，然后选用该接口的主IP地址而选定：
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