【Linux】用C++实现UDP通信：详解socket编程流程
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协议（Protocol）
协议 是计算机或通信系统中，不同实体（如设备、程序、服务等）之间进行交互和通信时，共同遵循的一套规则和标准。它定义了数据的格式、传输方式、错误处理、安全机制等，确保通信双方能够正确理解彼此的信息并完成协作。
协议的核心要素
- 语法（Syntax）
- 数据的结构或格式，例如报文如何排列、字段的长度和顺序等。
- 示例：HTTP请求中，请求行、头部、正文的排列方式。
- 语义（Semantics）
- 数据的含义及操作逻辑，解释字段代表的动作或内容。
- 示例：HTTP状态码
200表示请求成功，404表示资源未找到。
- 同步（Timing/Synchronization）
- 通信的顺序控制，如数据发送和响应的时序。
- 示例：TCP三次握手建立连接时的顺序规则。
常见协议分类
| 类别 | 协议示例 | 作用 |
|---|---|---|
| 网络通信 | TCP/IP、HTTP、FTP | 实现数据传输和网络互联 |
| 安全协议 | SSL/TLS、SSH、HTTPS | 加密通信和身份验证 |
| 应用层协议 | SMTP（邮件）、DNS | 支持特定应用功能（如邮件解析域名） |
| 硬件协议 | USB、Bluetooth | 硬件设备间的交互规范 |
UDP协议（用户数据报协议）
1. 基本定义
UDP（User Datagram Protocol） 是一种无连接的传输层协议，位于TCP/IP模型中的传输层（OSI第4层）。它以最小化的协议机制提供高效的数据传输服务。
2. 核心特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 无连接 | 通信前无需建立连接，直接发送数据 |
| 不可靠传输 | 不保证数据顺序、不重传丢失报文、不检测拥塞 |
| 无状态 | 发送方和接收方不维护连接状态 |
| 头部开销小 | 固定8字节头部（TCP至少20字节） |
| 支持广播/多播 | 可向多个主机同时发送数据 |
UDP协议实现通信
服务器端
由于UDP协议是一种通过数据报在网络中传输的协议，所以我们在创建套接字的时候需要将参数设置为数据报类型，服务器端主要有几个功能，一个是初始化服务器，一个是启动服务器，在启动服务器的时候需要将服务器写成死循环，服务器可以一直接收外部发来的数据。因为在服务器中存在着很多需要将网络字节序转化为本地字节序，所以为了方便，我们将IP地址和端口号封装成一个类InetAddr，这个类中的方法有网络字节序和本地字节序的转化，还有获取网络字节序和本地字节序，方便我们写代码的可读性。
注意：这里面用的LOG是上一章封装过的一个LOG类，可以直接拿过来用
Comm.hpp
#pragmaonce#include<iostream>#defineDie(code)exit(code)#defineCONV(v)(structsockaddr*)(v)enum{ USAGE_ERR, SOCKET_ERR, BIND_ERR };InetAddr.hpp
#pragmaonce#include"Comm.hpp"#include<iostream>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>classInetAddr{private:voidPortNet2Host(){ _port =::ntohl(_net_addr.sin_port);}voidIpNet2Host(){//将网络风格转化为字符串风格的char ipbuffer[64];constchar* ip =inet_ntop(AF_INET,&_net_addr.sin_addr,ipbuffer,sizeof(ipbuffer));(void)ip;}public:InetAddr(){}//网络转点分十进制---这里是网络转主机InetAddr(conststructsockaddr_in& addr):_net_addr(addr){PortNet2Host();IpNet2Host();}InetAddr(uint16_t port):_port(port),_ip(""){ _port = _net_addr.sin_family = AF_INET; _net_addr.sin_port =htons(_port);//这里是主机转网络 _net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;}structsockaddr*NetAddr(){returnCONV(&_net_addr);} socklen_t NetAddrLen(){returnsizeof(_net_addr);} std::string Ip(){return _ip;} std::uint16_tPort(){return _port;}~InetAddr(){}private://网络addrstructsockaddr_in _net_addr;//网络序列的端口uint16_t _port; std::string _ip;};UdpServer.hpp
#ifndef__UDP_SERVER_HPP__#define__UDP_SERVER_HPP__#include"InetAddr.hpp"#include"Comm.hpp"#include<iostream>#include<string>#include<memory>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<strings.h>#include<string.h>#include"Log.hpp"usingnamespace lyrics;conststaticint gsockfd =-1;// 这个ip表示主机的本地IP，一般用于做本地通信的conststatic std::string gdefaultip ="127.0.0.1";// 测试用的端口号conststaticuint16_t defaultport =8000;classUdpServer{public:UdpServer(uint16_t port = defaultport):_sockfd(gsockfd),_addr(port),_isrunning(false){}// 1. 初始化服务器----都是套路---UDP初始化voidInitServer(){// 创建套接字 _sockfd =socket(AF_INET, SOCK_DGRAM,0);// IP？PORT？网络？本地？if(_sockfd <0){// 输出致命的错误LOG(LogLevel::FATAL)<<"socket: "<<strerror(errno);// 创建失败直接结束：Die(SOCKET_ERR);}LOG(LogLevel::INFO)<<"socket success,sockfd is: "<< _sockfd;int n =::bind(_sockfd,_addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());if(n <0){LOG(LogLevel::FATAL)<<"socket: "<<strerror(errno);Die(BIND_ERR);}LOG(LogLevel::INFO)<<"bind success";}voidStart(){ _isrunning =true;//服务器死循环while(true){structsockaddr_in peer;//远端 socklen_t len =sizeof(peer);//必须设定char inbuffer[1024]; ssize_t n =::recvfrom(_sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1,0,CONV(&peer),&len);//读取消息成功if(n >0){ InetAddr cli(peer);//1. 需要知道消息内容 inbuffer[n]=0; std::string clientinfo = cli.Ip()+":"+ std::to_string(cli.Port())+" # "+ inbuffer;LOG(LogLevel::DEBUG)<< clientinfo; std::string echo_string ="echo "; echo_string += inbuffer;//2. 得知道消息是谁发的::sendto(_sockfd,echo_string.c_str(),echo_string.size(),0,CONV(&peer),sizeof(peer));}} _isrunning =false;}~UdpServer(){if(_sockfd > gsockfd)::close(_sockfd);}private:int _sockfd; InetAddr _addr;// uint16_t _port; // 服务器未来的端口号// 传递进来的是字符串风格的IP----点分十进制的IP地址//std::string _ip; // 服务器未来的ip地址bool _isrunning;// 服务器的运行状态};#endifUdpServer.cc
#include"UdpServer.hpp"// ./server_udp localip localportintmain(int argc,char*argv[]){if(argc !=2){ std::cerr <<"Usage"<< argv[0]<<"localport"<< std::endl;Die(USAGE_ERR);}//默认输出在显示器上ENABLE_CONSOLE_LOG(); std::unique_ptr<UdpServer> svr_uptr = std::make_unique<UdpServer>(std::stoi(argv[1])); svr_uptr->InitServer(); svr_uptr->Start();return0;}客户端
客户端不用封装，只需要创建套接字，然后向目标IP和目标端口号发送数据即可，在发送数据的时候需要写成死循环，这样客户端可以一直向服务器发送消息，我们发送一条消息，客户端回一条一模一样的消息，表示服务器接收到了消息。
#include"UdpClient.hpp"#include"Comm.hpp"#include<iostream>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<string.h>#include<cstdlib>#include<string>// ./client_udp serverip serverport----客户端需r要先知道服务器的端口号和IPintmain(int argc,char*argv[]){if(argc !=3){ std::cerr <<"Usage"<< argv[0]<<"serverip serverport"<< std::endl;Die(USAGE_ERR);} std::string serverip = argv[1];// 命令行上输入的都是字符串uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);// 1. 创建套接字int sockfd =::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM,0);if(sockfd <0){ std::cerr <<"socket error"<< std::endl;Die(SOCKET_ERR);}// 1.1 填充server信息structsockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server)); server.sin_family = AF_INET;// 需要调用主机转网络 server.sin_port =htons(serverport); server.sin_addr.s_addr =::inet_addr(serverip.c_str());// 2. clientdonewhile(true){ std::cout <<"please Entrer: "; std::string message; std::getline(std::cin, message);int n =::sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(),0,CONV(&server),sizeof(server));(void)n;structsockaddr_in temp; socklen_t len =sizeof(temp);char buffer[1024]; n =::recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,CONV(&temp),&len);if(n >0){ buffer[n]=0; std::cout << buffer <<std::endl;}}return0;}总结
至此，我们用C++完整实现了一个基于UDP的通信流程，从创建 socket、绑定地址，到收发数据、关闭连接，每一步都围绕 Linux 下的 socket 编程核心展开。虽然 UDP 天生“无连接、不可靠”，但正因如此，它在低延迟、高并发场景下依然扮演着重要角色。希望这篇博客不仅帮你理清了 UDP 的基本用法，也为你后续深入网络编程打下了坚实的地基。别忘了，代码看完了不算真学会，敲一遍才是你自己的！
