UDP服务器—实现数据通信

前言

    在这篇文章中为大家介绍如何通过编码实现数据通信，实现思路是根据前面介绍的网络编程函数编写一个服务端和客户端，实现客户端和服务端双方通信

1.接口介绍

创建套接字

 #include <sys/types.h>         
 #include <sys/socket.h>

 int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：网络通信采用AF_INET

type：提供的服务类型,包含TCP流式服务和UDP数据包服务

实现UDP服务器参数设置为SOCK_DGRAM

protocol:采用的协议，一般设置为0，前面的两个参数决定了第三个参数

创建套接字的本质是告诉操作系统要进行网络通信，然后由操作系统在底层维护一个文件缓冲区，创建成功返回该文件描述符，后续数据通信，上层选择将数据放到该文件缓冲区中或者从文件缓冲区中去读数据

返回值：打开的文件描述符

绑定端口号

  #include <sys/types.h>        
  #include <sys/socket.h>

  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

sockfd : 创建套接字的返回值

struct sockaddr* addr:使用时填充该结构体的字段

a.协议字段

b.端口号

端口号在进行填充的时候需要先进行转换为网络字节序

#include <arpa/inet.h>

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

获取对方传输过来的端口号时需要将网络字节序转化为本机

#include <arpa/inet.h>

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

c.IP地址

一般在服务器的实现中IP地址是不需要绑定的

在客户端中发送数据需要填充服务端的IP地址，因为在用户层IP地址是字符串类型，在网络上传输时IP地址是整型数据，所以需要进行转换

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

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

需要获取对方网络中传输过来的IP地址需要将整型转换为字符串类型

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

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

注：因为是网络通信，所以在填充好字段之后需要在传参的时候强转为sockaddr_in

addrlen:结构体的大小

接受数据

#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);

sockfd:文件描述符

buf:用户缓冲区

len:用户缓冲区的大小

flags:设置为0表示阻塞式调用

src_addr:输出型参数，用来获取对方的IP地址和port

addrlen:结构体的大小

发送数据

 #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);

sockfd:文件描述符

buf:用户缓冲区

len:用户缓冲区的大小

flags:设置为0表示阻塞式调用

dest_addr:填充需要发送对端主机的信息，包含IP地址和port端口号

addrlen:结构体的大小

有了上面这些的这些接口，下面我们就可以正式编写一个客户端和一个服务端了

2.编写服务器

形成makefile

.PHONY:all
all:udpServer udpClient

udpServer:udpServer.cc
    g++ -o $@ $^ -std=c++11
udpClient:udpClient.cc
    g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
    rm -rf udpServer udpClient

编写服务器：udpServer.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

namespace Server
{
    using namespace std;
    const static string defaultIP = "0.0.0.0";
    enum {USAGE_ERR = 1, SOCKET_ERR, BIND_ERR};
    class udpServer
    {
    public:
        udpServer(uint16_t port, const string &ip = defaultIP) 
        :_port(port),_ip(ip),_sockfd(-1)
        {}
        void initServer()
        {
            //1.创建socket
            _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(_sockfd == -1)
            {
                cerr<<"socket error:" << errno << strerror(errno) << endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            //2.绑定port和ip
            struct sockaddr_in local;
            bzero(&local,sizeof(local));
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
            int n = bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));
            if(n == -1)
            {
                cerr<<"bind error:" << errno << strerror(errno) << endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
        }
        void startServer()
        {
            char buffer[1024];
            for(;;)
            {
                struct sockaddr_in peer;
                socklen_t len = sizeof(peer);
                //peer len:输入，输出型参数：用来保存客户端的ip和port
                ssize_t s = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);
                //打印发送来的数据
                if(s)
                {
                    buffer[s] = { 0 };
                    //inet_ntoa:网络字节序->int  int->点分十进制
                    string clientIp = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                    //ntohl:网络字节序->int
                    uint16_t clientPort = ntohs(peer.sin_port);
                    string message = buffer;
                    cout << clientIp << "[" << clientPort << "]" << message << endl;
                }
            }
        }
        ~udpServer()
        {}
    private:
        uint16_t _port;
        string _ip;
        int _sockfd;
    };
}

启动服务器：udpServer.cc

#include "udpServer.hpp"
#include <memory>
using namespace Server;
static void Usage(string proc)
{
    cout << "\nUsage:\n\t" << proc << " local_port\n\n";
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    unique_ptr<udpServer> usvr(new udpServer(port));
    usvr->initServer();
    usvr->startServer();
    return 0;
}

3.编写客户端

编写客户端：udpClient.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

namespace Client
{
    using namespace std;   
    class udpClient
    {
    public:
        udpClient(const string& serverIp,const uint16_t serverPort)
        :_serverIp(serverIp),_serverPort(serverPort),_sockfd(-1) {}
        void initClient()
        {
            //1.创建socket
            _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(_sockfd == -1)
            {
                cerr<<"socket error:" << errno << strerror(errno) << endl;
                exit(2);
            }
            //client一定需要bind,服务器只有一个，但是客户端有许多个，所以服务端需要显示的绑定端口号
            //客户端一般不需要自己显示的绑定，而是由os自动形成端口号进行绑定
        }
        void run()
        {
            struct sockaddr_in server;
            memset(&server,0,sizeof(server));
            server.sin_family = AF_INET;
            server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverIp.c_str());
            server.sin_port = htons(_serverPort);
            string message;
            while(1)
            {
                cout << "请输入：";
                cin >> message;
                //发送数据到客户端
                sendto(_sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(const struct sockaddr*)&server,
                sizeof(server));
            }
        }
    private:
        string _serverIp;
        int _sockfd;
        uint16_t _serverPort;
    };
}

启动客户端：udpClient.cc

#include"udpClient.hpp"
#include<memory>
using namespace Client;
static void Usage(string proc)
{
    cout << "\nUsage:\n\t" << proc << " server_ip server_port\n\n";
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    string serverip = argv[1];
    uint16_t serverport = atoi(argv[2]);
    unique_ptr<udpClient> uct(new udpClient(serverip,serverport));
    uct->initClient();
    uct->run();
    return 0;
}

4.测试

说明：因为本次是在一台主机上，所以为了做测试将IP地址绑定为"127.0.0.1"，该IP地址的特点是专门用来在本主机上做测试，称为本地环回，后续在不同主机上通信的时候只需要将IP地址改为对方主机的IP地址即可。

此时我们就可以看到当客户端向服务器发送数据时，服务器收到了数据，并且将数据回显出来

总结

通过上面的编码，使用UDP协议简单实现了一个服务器，可以用来进行数据通信了，是不是感觉很神奇呀，看到这里你就会发现，原来网络通信也并不复杂，和系统内部进程间通信有异曲同工之妙关于网络通信的更多细节，后面再一一为大家介绍，我们下次再见！