基于 Socket 的 UDP 和 TCP 编程介绍

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议是网络体系结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

2.1 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。

2.2 基本TCP客户—服务器程序设计基本框架流程图

2.3 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）：

1. 流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；
2. 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。

3.1、socket调用库函数主要有

//1. 创建套接字
Socket(af,type,protocol);

//2. 建立地址和套接字的联系
bind(sockid, local addr, addrlen);

//3.1 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）

//3.2 客户端请求连接
Connect(sockid, destaddr, addrlen);

//4. 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);

//5. 发送/接收数据
	//5.1 面向连接tcp：
	send(sockid, buff, bufflen);
	recv( );
	//5.2 面向无连接udp：
	sendto(sockid,buff,…,addrlen);
	recvfrom( );

//6. 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上监听，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()
{ 
    int sock_fd,client_fd; /*sock_fd：监听socket；client_fd：数据传输socket */ 
    struct sockaddr_in ser_addr; /* 本机地址信息 */ 
    struct sockaddr_in cli_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:%s
",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:%s
",strerror(errno));
        exit(1);
    } 
    /*侦听客户端请求*/
    if(listen(ser_sockfd,BACKLOG)<0)
    {
        fprintf(stderr,"Listen Error:%s
",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:%s
",strerror(errno));
        }
        else
        {/*开始服务*/
            recv(cli_addr,msg,MAX_MSG_SIZE,0); /* 接受数据*/
            printf("received a connection from %sn", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
            printf("%s
",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:%s
",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:%s
",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:%s
",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("%s
",msg);/*在屏幕上打印出来 */
    close(cli_sockfd);
}

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。

3、UDP/IP应用编程接口（API）

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
");
        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 %s
",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 success
");
        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 %s
",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));

    printf("receive: %s",buffer);
    close(cli_sockfd);
}

四、调试

4.1 编写Makefile文件

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

运行结果如下图：在shell中执行make进行编译，make clean删除生成文件。