Linux 下 UDP 网络编程套接字详解

适用平台

这些字节序转换函数通常用于 Linux 和 UNIX 系统中，通过包含 arpa/inet.h 头文件来访问。对于 Windows 系统，提供了类似的转换函数，但位于 winsock2.h 中，使用方法相同。

地址转换函数（字符串传 4 字节 IP）

本节只介绍基于 IPv4 的 socket 网络编程，sockaddr_in 中的成员 struct in_addr sin_addr 表示 32 位的 IP 地址。但是我们通常用点分十进制的字符串表示 IP 地址，以下函数可以在字符串表示和 in_addr 表示之间转换。

• 字符串转 in_addr 的函数：inet_pton()
• in_addr 转字符串的函数：inet_ntop()

其中 inet_pton 和 inet_ntop 不仅可以转换 IPv4 的 in_addr，还可以转换 IPv6 的 in6_addr，因此函数接口是 void *addrptr。

关于 inet_ntoa：该函数返回了一个 char*，内部申请了一块静态存储区保存结果，不需要手动释放。但如果多次调用，第二次调用的结果会覆盖上一次的结果。在多线程环境下，推荐使用 inet_ntop，由调用者提供一个缓冲区保存结果，可以规避线程安全问题。

套接字编程的种类

1. 域间套接字编程
2. 原始套接字编程
3. 网络套接字编程

UDP 代码示例

Socket API

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

• 第一个参数：创建一个套接字的域，如 AF_INET (IPv4)。
• 第二个参数：socket 对应的类型，UDP 是 SOCK_DGRAM，TCP 是 SOCK_STREAM。
• 第三个参数：不用填，协议类型设为 0。

C++ 类封装示例

#pragma once
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
using namespace std;

class UdpServer {
public:
    UdpServer() {}
    void Init() { 
        sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
    }
    void Run() {}
    ~UdpServer() {}
private:
    int sockfd; // 网络文件描述符
};

绑定 Bind

绑定端口号时，需要填充 sockaddr_in 结构体。

sockaddr 结构

IPv4 和 IPv6 的地址格式定义在 netinet/in.h 中。IPv4 地址用 sockaddr_in 结构体表示，包括 16 位地址类型，16 位端口号和 32 位 IP 地址。

虽然 socket API 的接口是 sockaddr，但是我们真正在基于 IPv4 编程时，使用的数据结构是 sockaddr_in。这个结构里主要有三部分信息：地址类型，端口号，IP 地址。

清空结构体

可以使用 bzero 或 memset 把上面的结构体清空。

常用宏

• INET：相关宏定义。
• AF_INET：IPv4 协议族。

数据类型选择

在网络中为什么用 uint16_t，不用 int？

• 一致性和标准化：uint16_t 是一个无符号 16 位整数，大小和范围是固定的，明确且可移植。无论在哪个平台或操作系统上，其大小都是 16 位。而 int 的大小依赖于平台。
• 避免负数：端口号不能为负数，使用无符号类型更符合逻辑。

核心流程

1. 创建套接字：socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)。
2. 绑定端口号：bind(sockfd, ...)。
3. 发送消息：sendto(sockfd, buf, len, flags, addr, addrlen)。
4. 接收消息：recvfrom(sockfd, buf, len, flags, addr, addrlen)。

命令行参数处理

可以将程序写成命令行形式，例如 ./udpServer + port 或 ./udpClient + ip + port。

测试与调试

• 查看端口号和 IP 地址：netstat -naup。
• 云服务器最好直接不写 IP 地址，使用默认值 0。
• 0-1023 端口不让绑定，最好绑定 1024 以上的端口。

客户端实现

客户端也需要创建套接字，记得 close 网络文件。客户端不需要 bind，因为操作系统会自动分配临时端口。服务器的端口号要确定，因为客户端是要访问服务端的，需要知道确定的端口号和 IP。

多线程处理

登录 QQ 时，不发送信息也能收到信息，目前的简单客户端没法做到。客户端可以改成多线程，一个线程输入，一个线程显示。UDP 的 sockfd 是可以同时被读写的，是线程安全的。

聊天室思路

制作简单的聊天室类似群聊，需要注意覆盖问题。如果发来的是命令呢？需要在服务器外面给接收到的数据做处理。本地环回地址为 127.0.0.1。

在服务器查看发信的客户端的端口号和 IP，可以通过网络转主机拿到端口号和 IP，改变一下处理数据方式，打印出 IP 和 port。

总结

本文介绍了 Linux 环境下基于 UDP 协议的 socket 网络编程，涵盖了 IP、端口、字节序转换及核心 API 的使用，并提供了 C++ 实现的 UDP 服务器与客户端代码示例。