基於Socket的UDP和TCP編程介紹

一、概述

TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議是網絡體系結構TCP/IP模型中傳輸層一層中的兩個不同的通信協議。

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

UDP：用戶數據報協議。UDP是一種無連接協議。UDP套接口是數據報套接口(datagram socket)的一種。

二、TCP和UDP介紹

1）基本TCP客戶—服務器程序設計基本框架

說明：（三路握手）
        1.客戶端發送一個SYN段（同步序號）指明客戶打算連接的服務器端口，以及初始化序號(ISN) 。
        2.服務器發回包含服務器的初始序號的SYN報文段作爲應答。同時，將確認序號(ACK)設置爲客戶的ISN加1以對客戶的SYN 報文段進行確認。一個SYN將佔用一個序號。
        3.客戶必須將確認序號設置爲服務器的ISN加1以對服務器的SYN報文段進行確認。

2) 基本TCP客戶—服務器程序設計基本框架流程圖

3) UDP和TCP的對比：

從上面的流程圖比較我們可以很明顯的看出UDP沒有三次握手過程。

簡單點說。UDP處理的細節比TCP少。UDP不能保證消息被傳送到（它也報告消息沒有傳送到）目的地。UDP也不保證數據包的傳送順序。UDP把數據發出去後只能希望它能夠抵達目的地。

TCP優缺點：

優點：
        1．TCP提供以認可的方式顯式地創建和終止連接。
        2．TCP保證可靠的、順序的（數據包以發送的順序接收）以及不會重複的數據傳輸。
        3．TCP處理流控制。
        4．允許數據優先
        5．如果數據沒有傳送到，則TCP套接口返回一個出錯狀態條件。
        6．TCP通過保持連續並將數據塊分成更小的分片來處理大數據塊。—無需程序員知道

缺點： TCP在轉移數據時必須創建（並保持）一個連接。這個連接給通信進程增加了開銷，讓它比UDP速度要慢。

UDP優缺點：
        1．UDP不要求保持一個連接
        2．UDP沒有因接收方認可收到數據包（或者當數據包沒有正確抵達而自動重傳）而帶來的開銷。
        3．設計UDP的目的是用於短應用和控制消息
        4．在一個數據包連接一個數據包的基礎上，UDP要求的網絡帶寬比TDP更小。

三、Socket 編程

Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程序員可以用它們來開發TCP/IP網絡上的應用程序。要學 Internet上的TCP/IP網絡編程，必須理解Socket接口。

Socket接口設計者最先是將接口放在Unix操作系統裏面的。如果瞭解Unix系統的輸入和輸出的話，就很容易瞭解Socket了。網絡的 Socket數據傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似於打開文件的函數調用Socket()，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨後的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。常用的Socket類型有兩種：流式 Socket（SOCK_STREAM）和數據報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對於面向連接的TCP服務應用；數據報式Socket是一種無連接的Socket，對應於無連接的UDP服務應用。

1、socket 調用庫函數主要有 ：

創建套接字
Socket(af,type,protocol)

建立地址和套接字的聯繫
bind(sockid, local addr, addrlen)

服務器端偵聽客戶端的請求
listen( Sockid ,quenlen)

建立服務器/客戶端的連接 (面向連接TCP）
         客戶端請求連接
        Connect(sockid, destaddr, addrlen)
         服務器端等待從編號爲Sockid的 Socket上接收客戶連接請求
        newsockid=accept(Sockid ，Clientaddr, paddrlen)

發送/接收數據
         面向連接：send(sockid, buff, bufflen)
        recv( )
         面向無連接：sendto(sockid,buff,…,addrlen)
        recvfrom( )

釋放套接字
close(sockid)

2、TCP/IP應用編程接口（API）

服務器的工作流程：首先調用socket函數創建一個Socket，然後調用bind函數將其與本機地址以及一個本地端口號綁定，然後調用listen在相應的socket上監聽，當accpet接收到一個連接服務請求時，將生成一個新的socket。服務器顯示該客戶機的IP地址，並通過新的 socket向客戶端發送字符串" hi,I am server!"。最後關閉該socket。

main()
        {
                int sock_fd,client_fd; /*sock_fd：監聽socket；client_fd：數據傳輸 socket */
                struct sockaddr_in ser_addr; /* 本機地址信息 */
                struct sockaddr_in cli_addr; /* 客戶端地址信息 */
                char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 緩衝區*/
                ser_sockfd=socket (AF_INET,SOCK_STREAM,0);/* 創建連接的SOCKET */
                if(ser_sockfd<0)
                       {/*創建失敗 */
                              fprintf(stderr,"socker Error:%s/n",strerror(errno));
                              exit(1);
                      }
            /* 初始化服務器地址*/
                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:%s/n",strerror(errno));
                        exit(1);
                }
            /*偵聽客戶端請求*/
        if(listen (ser_sockfd,BACKLOG)<0)
           {
                   fprintf(stderr,"Listen Error:%s/n",strerror(errno));
                   close(ser_sockfd);
                   exit(1);
           }
        while(1)
        {/* 等待接收客戶連接請求*/
              cli_sockfd=accept (ser_sockfd,(struct sockaddr*) &        cli_addr,&addrlen);
              if(cli_sockfd<=0)
              {
                    fprintf(stderr,"Accept Error:%s/n",strerror(errno));
             }
              else
              {/*開始服務*/
                    recv (cli_addr,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受數據*/
                   printf("received a connection from %sn", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
                   printf("%s/n",msg);/*在屏幕上打印出來 */
                   strcpy(msg,"hi,I am server!");
                   send (cli_addr,msg,sizeof(msg),0); /*發送的數據*/
                   close(cli_addr);
                   }
             }
        close (ser_sockfd);
}

客戶端的工作流程：首先調用socket函數創建一個Socket，然後調用bind函數將其與本機地址以及一個本地端口號綁定，請求連接服務器，通過新的socket向客戶端發送字符串" hi,I am client!"。最後關閉該socket。

main()
        {
               int cli_sockfd;/*客戶端SOCKET */
               int addrlen;
               char seraddr[14];
               struct sockaddr_in ser_addr,/* 服務器的地址*/
                                    cli_addr;/* 客戶端的地址*/
        char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 緩衝區*/
         GetServerAddr(seraddr);
        cli_sockfd=socket (AF_INET,SOCK_STREAM,0);/* 創建連接的SOCKET */
        if(ser_sockfd<0)
        {/*創建失敗 */
        fprintf(stderr,"socker Error:%s/n",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:%s/n",strerror(errno));
        exit(1);
         }
        /* 初始化服務器地址*/
        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)/*請求連接*/
        {
        /*連接失敗 */
        fprintf(stderr,"Connect Error:%s/n",strerror(errno));
        close (cli_sockfd);
         exit(1);
         }
        strcpy(msg,"hi,I am client!");
        send(sockfd,msg,sizeof(msg),0);/*發送數據*/
         recv(sockfd,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受數據*/
        printf("%s/n",msg);/*在屏幕上打印出來 */
        close (cli_sockfd);
        }

3、UDP/IP應用編程接口（API）

服務器的工作流程：首先調用socket函數創建一個Socket，然後調用bind函數將其與本機地址以及一個本地端口號綁定，接收到一個客戶端時，服務器顯示該客戶端的IP地址，並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 success/n");
        return 1;
         }
        /*填寫sockaddr_in 結構*/
        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端的網絡地址*/
        printf("receive from %s/n",inet_ntoa(ser_addr.sin_addr));
        /*顯示客戶端發來的字串*/
        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：首先調用socket函數創建一個Socket，填寫服務器地址及端口號，從標準輸入設備中取得字符串，將字符串傳送給服務器端，並接收服務器端返回的字符串。最後關閉該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 success/n");
        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));
        /* 從標準輸入設備取得字符串*/
        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 %s/n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
        printf("receive: %s",buffer);
        close(cli_sockfd);
        }

四、調試

Makefile文件爲：

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中執行make進行編譯，make clean刪除生成文件。

運行結果如下圖：

基於Socket的UDP和TCP編程介紹

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