从零开始在 Linux 中构建 UDP 通信程序

2024-02-21 13:47:31

UDP 通信机制概述

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，具有轻量、低延迟的特点，常用于对实时性要求较高的应用场景。与 TCP 协议相比，UDP 不会建立连接，也不提供可靠性保障，因此数据传输过程中可能出现数据丢失或乱序的情况。然而，UDP 的速度优势使其成为许多网络应用的理想选择，例如在线游戏、视频流媒体和语音通话等。

套接字编程基础

在 Linux 系统中，套接字（Socket）是用于网络通信的端点，它提供了一个抽象接口，允许应用程序与网络进行数据交换。创建套接字时，需要指定套接字类型、协议类型和本地地址等信息。套接字编程主要涉及以下几个步骤：

创建套接字：使用 socket() 函数创建套接字，并指定相应的参数，如套接字类型、协议类型等。
绑定套接字：将套接字绑定到一个本地地址和端口上，以便其他应用程序能够通过该地址和端口与之通信。
发送和接收数据：使用 send() 和 recv() 函数在套接字之间发送和接收数据。
关闭套接字：使用 close() 函数关闭套接字，释放系统资源。

文件传输应用程序的设计

我们的文件传输应用程序将由客户端和服务器两部分组成。客户端负责向服务器发送文件下载请求，并接收服务器传输的文件数据。服务器负责接收客户端的请求，并向客户端发送指定文件的数据。

客户端设计

客户端程序的主要功能如下：

创建套接字并绑定到一个本地端口。
向服务器发送文件下载请求，其中包含要下载的文件名。
接收服务器发送的文件数据，并将其保存到本地文件中。
关闭套接字。

服务器端设计

服务器程序的主要功能如下：

创建套接字并绑定到一个本地端口。
等待客户端的连接请求。
接收客户端发送的文件下载请求，并获取要下载的文件名。
打开要下载的文件，并将其数据发送给客户端。
关闭套接字。

实现步骤

1. 创建套接字

在客户端和服务器程序中，首先需要创建套接字。使用 socket() 函数创建套接字，并指定套接字类型为 SOCK_DGRAM，协议类型为 IPPROTO_UDP。

2. 绑定套接字

接下来，需要将套接字绑定到一个本地地址和端口上。在客户端程序中，可以使用 INADDR_ANY 作为本地地址，表示监听所有本地网络接口。在服务器程序中，可以使用一个特定的 IP 地址作为本地地址，以指定服务器监听的网络接口。

3. 发送和接收数据

在客户端程序中，可以使用 sendto() 函数向服务器发送数据。在服务器程序中，可以使用 recvfrom() 函数接收客户端发送的数据。

4. 关闭套接字

最后，在客户端和服务器程序中，都应该使用 close() 函数关闭套接字，释放系统资源。

示例代码

以下是如何创建客户端和服务器程序的示例代码：

客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket() failed");
        exit(1);
    }

    // 绑定套接字
    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(5000);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind() failed");
        exit(1);
    }

    // 向服务器发送文件下载请求
    char filename[] = "file.txt";
    int len = strlen(filename);
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    server_addr.sin_port = htons(6000);
    if (sendto(sockfd, filename, len, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("sendto() failed");
        exit(1);
    }

    // 接收服务器发送的文件数据
    char buffer[1024];
    int recv_len;
    FILE *fp = fopen("file.txt", "wb");
    while ((recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL)) > 0) {
        fwrite(buffer, 1, recv_len, fp);
    }
    fclose(fp);

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

服务器程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket() failed");
        exit(1);
    }

    // 绑定套接字
    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(6000);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind() failed");
        exit(1);
    }

    // 等待客户端的连接请求
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

    // 接收客户端发送的文件下载请求
    char filename[1024];
    int len = recvfrom(sockfd, filename, sizeof(filename), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
    if (len == -1) {
        perror("recvfrom() failed");
        exit(1);
    }

    // 打开要下载的文件
    FILE *fp = fopen(filename, "rb");
    if (fp == NULL) {
        perror("fopen() failed");
        exit(1);
    }

    // 向客户端发送文件数据
    char buffer[1024];
    int send_len;
    while ((send_len = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), fp)) > 0) {
        if (sendto(sockfd, buffer, send_len, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len) == -1) {
            perror("sendto() failed");
            exit(1);
        }
    }
    fclose(fp);

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}