基于Socket的UDP和TCP编程介绍

作者：王姗姗，华清远见嵌入式学院讲师。

一、概述

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议是网络体系结构TCP/IP模型中传输层一层中的两个不同的通信协议。

TCP：传输控制协议，一种面向连接的协议，给用户进程提供可靠的全双工的字节流，TCP套接口是字节流套接口(stream socket)的一种。

UDP：用户数据报协议。UDP是一种无连接协议。UDP套接口是数据报套接口(datagram socket)的一种。

二、TCP和UDP介绍

1）基本TCP客户—服务器程序设计基本框架

说明：（三路握手）

1.客户端发送一个SYN段（同步序号）指明客户打算连接的服务器端口，以及初始化序号(ISN) 。

2.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段作为应答。同时，将确认序号(ACK)设置为客户的ISN加1以对客户的SYN 报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。

3.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认。

2) 基本TCP客户—服务器程序设计基本框架流程图

3) UDP和TCP的对比：

从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。

简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到（它也报告消息没有传送到）目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。

TCP优缺点：

优点：

1．TCP提供以认可的方式显式地创建和终止连接。

2．TCP保证可靠的、顺序的（数据包以发送的顺序接收）以及不会重复的数据传输。

3．TCP处理流控制。

4．允许数据优先

5．如果数据没有传送到，则TCP套接口返回一个出错状态条件。

6．TCP通过保持连续并将数据块分成更小的分片来处理大数据块。—无需程序员知道

缺点： TCP在转移数据时必须创建（并保持）一个连接。这个连接给通信进程增加了开销，让它比UDP速度要慢。

UDP优缺点：

1．UDP不要求保持一个连接

2．UDP没有因接收方认可收到数据包（或者当数据包没有正确抵达而自动重传）而带来的开销。

3．设计UDP的目的是用于短应用和控制消息

4．在一个数据包连接一个数据包的基础上，UDP要求的网络带宽比TDP更小。

三、Socket编程

Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。

Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

1、socket调用库函数主要有：

创建套接字

Socket(af,type,protocol)

建立地址和套接字的联系

bind(sockid, local addr, addrlen)

服务器端侦听客户端的请求

listen( Sockid ,quenlen)

建立服务器/客户端的连接 (面向连接TCP）

客户端请求连接

Connect(sockid, destaddr, addrlen)

服务器端等待从编号为Sockid的Socket上接收客户连接请求

newsockid=accept(Sockid，Clientaddr, paddrlen)

发送/接收数据

面向连接：send(sockid, buff, bufflen)

recv( )

面向无连接：sendto(sockid,buff,…,addrlen)

recvfrom( )

释放套接字

close(sockid)

2、TCP/IP应用编程接口（API）

服务器的工作流程：首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，然后调用listen在相应的socket上*，当accpet接收到一个连接服务请求时，将生成一个新的socket。服务器显示该客户机的IP地址，并通过新的socket向客户端发送字符串" hi,I am server!"。最后关闭该socket。

main()
{
intsock_fd,client_fd;/*sock_fd：*socket；client_fd：数据传输socket*/
structsockaddr_inser_addr;/*本机地址信息*/
structsockaddr_incli_addr;/*客户端地址信息*/
char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 缓冲区*/
ser_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*创建连接的SOCKET */
if(ser_sockfd<0)
{/*创建失败 */
fprintf(stderr,"socker Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化服务器地址*/
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)
{ /*绑定失败 */
fprintf(stderr,"Bind Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/*侦听客户端请求*/
if(listen(ser_sockfd,BACKLOG)<0)
{
fprintf(stderr,"Listen Error:%sn",strerror(errno));
close(ser_sockfd);
exit(1);
}
while(1)
{/* 等待接收客户连接请求*/
cli_sockfd=accept(ser_sockfd,(struct sockaddr*) &cli_addr,&addrlen);
if(cli_sockfd<=0)
{
fprintf(stderr,"Accept Error:%sn",strerror(errno));
}
else
{/*开始服务*/
recv(cli_addr,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受数据*/
printf("receivedaconnectionfrom%sn",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
printf("%sn",msg);/*在屏幕上打印出来 */
strcpy(msg,"hi,I am server!");
send(cli_addr,msg,sizeof(msg),0); /*发送的数据*/
close(cli_addr);
}
}
close(ser_sockfd);
}

客户端的工作流程：首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，请求连接服务器，通过新的socket向客户端发送字符串" hi,I am client!"。最后关闭该socket。

main()
{
int cli_sockfd;/*客户端SOCKET */
int addrlen;
char seraddr[14];
struct sockaddr_in ser_addr,/* 服务器的地址*/
cli_addr;/* 客户端的地址*/
char msg[MAX_MSG_SIZE];/* 缓冲区*/
GetServerAddr(seraddr);
cli_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*创建连接的SOCKET */
if(ser_sockfd<0)
{/*创建失败 */
fprintf(stderr,"socker Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化客户端地址*/
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)
{
/*棒定失败 */
fprintf(stderr,"Bind Error:%sn",strerror(errno));
exit(1);
}
/* 初始化服务器地址*/
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)/*请求连接*/
{
/*连接失败 */
fprintf(stderr,"Connect Error:%sn",strerror(errno));
close(cli_sockfd);
exit(1);
}
strcpy(msg,"hi,I am client!");
send(sockfd,msg,sizeof(msg),0);/*发送数据*/
recv(sockfd,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受数据*/
printf("%sn",msg);/*在屏幕上打印出来 */
close(cli_sockfd);
}

3、UDP/IP应用编程接口（API）

服务器的工作流程：首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定，接收到一个客户端时，服务器显示该客户端的IP地址，并将字串返回给客户端。

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;
}
/*填写sockaddr_in 结构*/
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);
/*绑定客户端
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);
/*显示client端的网络地址*/
printf("receive from %sn",inet_ntoa(ser_addr.sin_addr));
/*显示客户端发来的字串*/
printf("recevce:%s",seraddr);
/*将字串返回给client端*/
sendto(ser_sockfd,seraddr,len,0,(struct sockaddr*)&ser_addr,addrlen);
}
}

客户端的工作流程：首先调用socket函数创建一个Socket，填写服务器地址及端口号，从标准输入设备中取得字符串，将字符串传送给服务器端，并接收服务器端返回的字符串。最后关闭该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;
}
/* 填写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));
/* 从标准输入设备取得字符串*/
len=read(STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));
/* 将字符串传送给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、调试

Makefile文件为：

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中执行make进行编译，make clean删除生成文件。

运行结果如下图：

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