一、引入

在上一章【網(wǎng)絡(luò)編程】socket套接字中我們講述了TCP/UDP協(xié)議，這一篇就是簡單實(shí)現(xiàn)一個UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
我們也講過其實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信的本質(zhì)就是進(jìn)程間通信。而進(jìn)程間通信無非就是讀和寫（IO）。
所以現(xiàn)在我們就要寫一個服務(wù)端（server）接收數(shù)據(jù)，客戶端（client）發(fā)送數(shù)據(jù)。

二、服務(wù)端實(shí)現(xiàn)

通過上一章的介紹，要通信首先需要有IP地址，和綁定端口號。

uint16_t _port;
std::string _ip;

2.1 創(chuàng)建套接字socket

在通信之前要先把網(wǎng)卡文件打開。

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);RETURN VALUE
On success, a file descriptor for the new socket is returned.  
On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

這個函數(shù)的作用是打開一個文件，把文件和網(wǎng)卡關(guān)聯(lián)起來。

參數(shù)介紹：

domain：一個域，標(biāo)識了這個套接字的通信類型（網(wǎng)絡(luò)或者本地）。

只用關(guān)注上面兩個類，第一個AF_UNIX表示本地通信，而AF_INET表示網(wǎng)絡(luò)通信。
type：套接字提供服務(wù)的類型。

這一章我們講的式UDP，所以使用SOCK_DGRAM。
protocol：想使用的協(xié)議，默認(rèn)為0即可，因?yàn)榍懊娴膬蓚€參數(shù)決定了，就已經(jīng)決定了是TCP還是UDP協(xié)議了。

返回值：

成功則返回打開的文件描述符（指向網(wǎng)卡文件），失敗返回-1。

而從這里我們就聯(lián)想到系統(tǒng)中的文件操作，未來各種操作都要通過這個文件描述符，所以在服務(wù)端類中還需要一個成員變量表示文件描述符。

static const std::string defaultip = "0.0.0.0";// 默認(rèn)IPclass UDPServer
{
public:UDPServer(const uint16_t& port, const std::string ip = defaultip): _port(port), _ip(ip), _sockfd(-1){}void InitServer(){// 創(chuàng)建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}}
private:uint16_t _port;std::string _ip;int _sockfd;
};

創(chuàng)建完套接字后我們還需要綁定IP和端口號。

2.2 綁定bind

#include <sys/socket.h>int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);RETURN VALUE
Upon successful completion, bind() shall return 0; 
otherwise, -1 shall be returned and errno set to indicate the error.

參數(shù)介紹：

socket：創(chuàng)建套接字的返回值。
address：通用結(jié)構(gòu)體（上一章【網(wǎng)絡(luò)編程】socket套接字有詳細(xì)介紹）。
address_len：傳入結(jié)構(gòu)體的長度。

所以我們要先定義一個sockaddr_in結(jié)構(gòu)體填充數(shù)據(jù)，在傳遞進(jìn)去。

struct sockaddr_in {short int sin_family;           // 地址族，一般為AF_INET或PF_INETunsigned short int sin_port;    // 端口號，網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序struct in_addr sin_addr;        // IP地址unsigned char sin_zero[8];      // 用于填充，使sizeof(sockaddr_in)等于16
};

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體后要先清空數(shù)據(jù)（初始化），我們可以用memset，系統(tǒng)也提供了接口：

#include <strings.h>void bzero(void *s, size_t n);

填充端口號的時候要注意端口號是兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，涉及到大小端問題。

大小端轉(zhuǎn)化接口：

#include <arpa/inet.h>
// 主機(jī)序列轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)序列
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
// 網(wǎng)絡(luò)序列轉(zhuǎn)主機(jī)序列
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

對于IP，首先我們要先轉(zhuǎn)成整數(shù)，再要解決大小端問題。
系統(tǒng)給了直接能解決這兩個問題的接口：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);in_addr_t inet_addr(const char *cp);// 點(diǎn)分十進(jìn)制字符串in_addr_t inet_network(const char *cp);char *inet_ntoa(struct in_addr in);struct in_addr inet_makeaddr(int net, int host);in_addr_t inet_lnaof(struct in_addr in);in_addr_t inet_netof(struct in_addr in);

這里的inet_addr就是把一個點(diǎn)分十進(jìn)制的字符串轉(zhuǎn)化成整數(shù)再進(jìn)行大小端處理。

整體代碼：

void InitServer()
{// 創(chuàng)建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}// 綁定IP與portstruct sockaddr_in si;bzero(&si, sizeof si);si.sin_family = AF_INET;// 協(xié)議家族si.sin_port = htons(_port);// 端口號,注意大小端問題si.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());// ip// 綁定int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&si, sizeof si);assert(n != -1);
}

2.3 啟動服務(wù)器

首先要知道服務(wù)器要死循環(huán)，永遠(yuǎn)不退出，除非用戶刪除。站在操作系統(tǒng)的角度，服務(wù)器是常駐內(nèi)存中的進(jìn)程。

而我們啟動服務(wù)器的時候要傳遞進(jìn)去IP和端口號。

int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){std::cout << "incorrect number of parameters" << std::endl;exit(1);}std::string ip = argv[1];uint16_t port = atoi(argv[2]);std::unique_ptr<UDPServer> ptr(new UDPServer(port, ip));return 0;
}

那么IP該怎么傳遞呢？

2.4 IP的綁定

這里的127.0.0.1叫做本地環(huán)回

它的作用就是用來做服務(wù)器代碼測試的，意思就是如果我們綁定的IP是127.0.0.1的話，在應(yīng)用層發(fā)送的消息不會進(jìn)入物理層，也就不會發(fā)送出去。

當(dāng)我們運(yùn)行起來后想要查看網(wǎng)絡(luò)情況就可以用指令netstat
后邊也可以附帶參數(shù)：

-a：顯示所有連線中的Socket；
-e：顯示網(wǎng)絡(luò)其他相關(guān)信息；
-i：顯示網(wǎng)絡(luò)界面信息表單；
-l：顯示監(jiān)控中的服務(wù)器的Socket；
-n：直接使用ip地址(數(shù)字)，而不通過域名服務(wù)器；
-p：顯示正在使用Socket的程序識別碼和程序名稱；
-t：顯示TCP傳輸協(xié)議的連線狀況；
-u：顯示UDP傳輸協(xié)議的連線狀況；

那我們?nèi)绻胍W(wǎng)通信呢？該用什么IP呢？難道是云服務(wù)器上的公網(wǎng)IP嗎？

但是我們發(fā)現(xiàn)綁定不了。
因?yàn)樵品?wù)器是虛擬化服務(wù)器（不是真實(shí)的IP），不能直接綁定公網(wǎng)IP。

既然公網(wǎng)IP邦綁定不了，那么內(nèi)網(wǎng)IP（局域網(wǎng)IP）呢？


答案是可以，說明這個IP是屬于這個服務(wù)器的
但是這里不是一個內(nèi)網(wǎng)的就無法找到。

所以現(xiàn)在的問題是服務(wù)器啟動后怎么收到信息呢？（消息已經(jīng)發(fā)送到主機(jī)，現(xiàn)在要向上交付）
實(shí)際上，一款服務(wù)器不建議指明一個IP。因?yàn)榭赡芊?wù)器有很多IP，如果我們綁定了一個比如說IP1，那么其他進(jìn)程發(fā)送給IP2服務(wù)器就收不到了。

這里的INADDR_ANY實(shí)際上就是0，這樣綁定后，發(fā)送到這臺主機(jī)上所有的數(shù)據(jù)，只要是訪問綁定的端口（8080）的，服務(wù)器都能收到。這樣就不會因?yàn)榻壎艘粋€具體的IP而漏掉其他IP的信息

static const std::string defaultip = "0.0.0.0";// 默認(rèn)IP

所以現(xiàn)在我們就不需要傳遞IP了。

2.5 讀取數(shù)據(jù)recvfrom

服務(wù)端要獲取到用戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

參數(shù)說明：

sockfd：從哪個套接字讀。
buf：數(shù)據(jù)放入的緩沖區(qū)。
len：緩沖區(qū)長度。
flags：讀取方式。 0代表阻塞式讀取。
src_addr和addrlen：輸出型參數(shù)，返回對應(yīng)的消息內(nèi)容是從哪一個客戶端發(fā)出的。第一個是自己定義的結(jié)構(gòu)體，第二個是結(jié)構(gòu)體長度。

void start()
{char buf[1024];while(1){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;sssize_t s = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof buf - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);}
}

現(xiàn)在我們想要知道是誰發(fā)送過來的消息，信息都被保存到了peer結(jié)構(gòu)體中，我們知道IP信息在peer.sin_addr.s_addr中，首先這是一個網(wǎng)絡(luò)序列，要轉(zhuǎn)成主機(jī)序列，其次為了方便觀察，要把它轉(zhuǎn)換成點(diǎn)分十進(jìn)制。
而這兩個操作系統(tǒng)給了一個接口能夠解決：

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

同樣獲取端口號的時候也要由網(wǎng)絡(luò)序列轉(zhuǎn)成主機(jī)序列：

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

整體代碼：

void start()
{char buf[1024];while(1){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof buf - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(s > 0){std::string cip = inet_ntoa(peer.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(peer.sin_port);std::string msg = buf;std::cout << " [" << cip << "@" << cport << " ]# " << msg << std::endl;}}
}

現(xiàn)在只需要等待用戶端發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

三、用戶端實(shí)現(xiàn)

首先我們要發(fā)送數(shù)據(jù)，就得知道客戶端的IP和port。
而這里的IP就必須指明。

uint16_t _serverport;
std::string _serverip;
int _sockfd;

這里的IP和port指的是要發(fā)送給誰。

創(chuàng)建套接字就跟前面的一樣：

// 創(chuàng)建套接字
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(_sockfd == -1)
{std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);
}

3.1 綁定問題

這里的客戶端必須綁定IP和端口，來表示主機(jī)唯一性和進(jìn)程唯一性。
但是不需要顯示的bind。

那么為什么前面服務(wù)端必須顯示的綁定port呢？

因?yàn)榉?wù)器的端口號是眾所周知的，不能改變，如果變了就找不到服務(wù)器了。

而客戶端只需要有就可以，只用標(biāo)識唯一性即可。
舉個例子：

我們手機(jī)上有很多的app，而每個服務(wù)端是一家公司寫的，但是客戶端卻是多個公司寫的。如果我們綁定了特定的端口，萬一兩個公司都用了同一個端口號呢？這樣就直接沖突了。

所以操作系統(tǒng)會自動形成端口進(jìn)行綁定。（在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候自動綁定）
所以創(chuàng)建客戶端我們只用創(chuàng)建套接字即可。

void InitClient()
{// 創(chuàng)建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}
}

3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)sendto

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

這里的參數(shù)和上面的recvfrom差不多，而這里的結(jié)構(gòu)體內(nèi)部我們要自己填充目的IP和目的端口號。

void start()
{struct sockaddr_in si;bzero(&si, sizeof(si));si.sin_family = AF_INET;si.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverip.c_str());si.sin_port = htons(_serverport);std::string msg;while(1){std::cout << "Please input: ";std::cin >> msg;sendto(_sockfd, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&si, sizeof si);}
}

當(dāng)然這里是同一臺主機(jī)之間測試，如果是不同的機(jī)器，我們傳遞參數(shù)的時候就要傳遞公網(wǎng)IP，例如我們這臺云服務(wù)器的公網(wǎng)IP是：

我們在運(yùn)行的時候：

./UDPClient 43.143.106.44 8080

四、源碼

// UDPServer.hpp
#pragma once 
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <cassert>
#include <functional>static const std::string defaultip = "0.0.0.0";// 默認(rèn)IPclass UDPServer
{
public:UDPServer(const uint16_t& port, const std::string ip = defaultip): _port(port), _ip(ip), _sockfd(-1){}void InitServer(){// 創(chuàng)建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}// 綁定IP與portstruct sockaddr_in si;bzero(&si, sizeof si);si.sin_family = AF_INET;// 協(xié)議家族si.sin_port = htons(_port);// 端口號,注意大小端問題// si.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());// ipsi.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 綁定int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&si, sizeof si);assert(n != -1);}void start(){char buf[1024];while(1){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(s > 0){buf[s] = 0;// 結(jié)尾std::string cip = inet_ntoa(peer.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(peer.sin_port);std::string msg = buf;std::cout << "[" << cip << "@" << cport << "]# " << msg << std::endl;}}}
private:uint16_t _port;std::string _ip;int _sockfd;
};// UDPServer.cc
#include "UDPServer.hpp"
#include <memory>int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){std::cout << "incorrect number of parameters" << std::endl;exit(1);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<UDPServer> ptr(new UDPServer(port));ptr->InitServer();ptr->start();return 0;
}// UDPClient.hpp
#pragma once 
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <cassert>class UDPClient
{
public:UDPClient(const std::string& serverip, const uint16_t& port): _serverip(serverip), _serverport(port), _sockfd(-1){}void InitClient(){// 創(chuàng)建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "socket error" << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}}void start(){struct sockaddr_in si;bzero(&si, sizeof(si));si.sin_family = AF_INET;si.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverip.c_str());si.sin_port = htons(_serverport);std::string msg;while(1){std::cout << "Please input: ";std::cin >> msg;sendto(_sockfd, msg.c_str(), msg.size(), 0, (struct sockaddr*)&si, sizeof si);}}
private:uint16_t _serverport;std::string _serverip;int _sockfd;
};// UDPClient.cc
#include "UDPClient.hpp"
#include <memory>int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){std::cout << "incorrect number of parameters" << std::endl;exit(1);}std::string ip = argv[1];uint16_t port = atoi(argv[2]);std::unique_ptr<UDPClient> ptr(new UDPClient(ip, port));ptr->InitClient();ptr->start();return 0;
}

---

---