编写Linux下的UDP Client/Server程序

一、引言
UDP是TCP/IP协议中的传输层协议的一种，本文介绍了在Linux下编写基于UDP协议的Client/Server模型的程序的方法，并给出了一个echo Client/Server例子程序。

二、UDP协议简介
UDP是一种简单的传输层协议，在RFC768中有详细描述。UDP协议是一种非连接的、不可靠的数据报文协议，完全不同于提供面向连接的、可靠的字节流的TCP协议。虽然UDP有很多不足，但是还是有很多网络程序使用它，例如DNS（域名解析服务）、NFS（网络文件系统）、SNMP（简单网络管理协议）等。
通常，UDP Client程序不和Server程序建立连接，而是直接使用sendto()来发送数据。同样，UDP Server程序不需要允许Client程序的连接，而是直接使用recvfrom()来等待直到接收到Client程序发送来的数据。
这里，我们使用一个简单的echo Client/Server程序来介绍在Linux下编写UDP程序的方法。Client程序从stdin读取数据并通过网络发送到Server程序，Server程序在收到数据后直接再发送回Client程序，Client程序收到Server发回的数据后再从stdout输出。

三、UDP Server程序
1、编写UDP Server程序的步骤
(1)使用socket()来建立一个UDP socket，第二个参数为SOCK_DGRAM。
(2)初始化sockaddr_in结构的变量，并赋值。sockaddr_in结构定义：
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];
};
这里使用“08”作为服务程序的端口，使用“INADDR_ANY”作为绑定的IP地址即任何主机上的地址。
(3)使用bind()把上面的socket和定义的IP地址和端口绑定。这里检查bind()是否执行成功，如果有错误就退出。这样可以防止服务程序重复运行的问题。
(4)进入无限循环程序，使用recvfrom()进入等待状态，直到接收到客户程序发送的数据，就处理收到的数据，并向客户程序发送反馈。这里是直接把收到的数据发回给客户程序。

2、udpserv.c程序内容：
#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、编写UDP Client程序的步骤
(1)初始化sockaddr_in结构的变量，并赋值。这里使用“8888”作为连接的服务程序的端口，从命令行参数读取IP地址，并且判断IP地址是否符合要求。
(2)使用socket()来建立一个UDP socket，第二个参数为SOCK_DGRAM。
(3)使用connect()来建立与服务程序的连接。与TCP协议不同，UDP的connect()并没有与服务程序三次握手。上面我们说了UDP是非连接的，实际上也可以是连接的。使用连接的UDP，kernel可以直接返回错误信息给用户程序，从而避免由于没有接收到数据而导致调用recvfrom()一直等待下去，看上去好像客户程序没有反应一样。
(4)向服务程序发送数据，因为使用连接的UDP，所以使用write()来替代sendto()。这里的数据直接从标准输入读取用户输入。
(5)接收服务程序发回的数据，同样使用read()来替代recvfrom()。
(6)处理接收到的数据，这里是直接输出到标准输出上。

2、udpclient.c程序内容：
#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、运行例子程序
1、编译例子程序
使用如下命令来编译例子程序：
gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c
编译完成生成了udpserv和udpclient两个可执行程序。

2、运行UDP Server程序
执行./udpserv &命令来启动服务程序。我们可以使用netstat -ln命令来观察服务程序绑定的IP地址和端口，部分输出信息如下：
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处有“0.0.0.0:8888”的内容，说明服务程序已经正常运行，可以接收主机上任何IP地址且端口为8888的数据。
如果这时再执行./udpserv &命令，就会看到如下信息：
bind error: Address already in use
说明已经有一个服务程序在运行了。

3、运行UDP Client程序
执行./udpclient 127.0.0.1命令来启动客户程序，使用127.0.0.1来连接服务程序，执行效果如下：
Hello, World!
Hello, World!
this is a test
this is a test
^d
输入的数据都正确从服务程序返回了，按ctrl+d可以结束输入，退出程序。
如果服务程序没有启动，而执行客户程序，就会看到如下信息：
$ ./udpclient 127.0.0.1
test
read error: Connection refused
说明指定的IP地址和端口没有服务程序绑定，客户程序就退出了。这就是使用connect()的好处，注意，这里错误信息是在向服务程序发送数据后收到的，而不是在调用connect()时。如果你使用tcpdump程序来抓包，会发现收到的是ICMP的错误信息。