Linux 下网络编程 -UDP 协议探测在线好友

2022 年 4 月 01 日
本文字数：10090 字
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1. UDP 协议介绍

UDP 协议相对 TCP 协议来讲属于不可靠协议，UDP 协议是广播方式发送数据，没有服务器和客户端的概念。

在 Linux 下使用 socket 创建 UDP 的套接字时,属性要选择数据报类型SOCK_DGRAM。

 sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

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2. UDP 协议发送和接收数据的函数

2.1 recvfrom 函数

UDP 使用 recvfrom()函数接收数据，他类似于标准的 read()，但是在 recvfrom()函数中要指明数据的目的地址。

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

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返回值

成功返回接收到数据的长度，负数失败

前三个参数等同于函数 read()的前三个参数，flags 参数是传输控制标志。最后两个参数类似于 accept 的最后两个参数（接收客户端的 IP 地址）。

2.2 sendto 函数

UDP 使用 sendto()函数发送数据，他类似于标准的 write()，但是在 sendto()函数中要指明目的地址。

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

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返回值

成功返回发送数据的长度，失败返回-1

前三个参数等同于函数 read()的前三个参数，flags 参数是传输控制标志。

参数 to 指明数据将发往的协议地址，他的大小由 addrlen 参数来指定。

2.3 设置套接字属性

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,void *optval, socklen_t *optlen);int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);

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setsockopt()函数用于任意类型、任意状态套接口的设置选项值。尽管在不同协议层上存在选项，但本函数仅定义了最高的“套接口”层次上的选项。选项影响套接口的操作，诸如加急数据是否在普通数据流中接收，广播数据是否可以从套接口发送等等。

参数

sockfd：标识一个套接口的描述字。

level：选项定义的层次；目前仅支持 SOL_SOCKET 和 IPPROTO_TCP 层次。

optname：需设置的选项。

optval：指针，指向存放选项值的缓冲区。

optlen：optval 缓冲区的长度。

UDP 协议发送数据时，设置具有广播特性: 默认情况下 socket 不支持广播特性

char bBroadcast=1;setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(const char*)&bBroadcast,sizeof(char));

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3. 案例: UDP 协议数据收发

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <semaphore.h>#include <signal.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <arpa/inet.h>#include <netinet/in.h>#include <pthread.h>#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>#include <sys/epoll.h>#include <poll.h>

#define SEND_MSG "1314520"   //发送的数据包#define PORT 8888           //固定的端口号
int sockfd;int main(int argc,char **argv){       if(argc!=2)    {        printf("./app <广播地址>  当前程序固定的端口号是8888\n");        return 0;    }
    /*1. 创建socket套接字*/    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    //设置端口号的复用功能    int on = 1;    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));
    /*2. 绑定端口号与IP地址*/    struct sockaddr_in addr;    addr.sin_family=AF_INET;    addr.sin_port=htons(PORT); // 端口号0~65535    addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;    //inet_addr("0.0.0.0"); //IP地址    if(bind(sockfd,(const struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))!=0)    {        printf("UDP服务器:端口号绑定失败.\n");        return 0;    }
    /*3. 接收数据*/    unsigned char buff[1024+1];    int cnt;    struct sockaddr_in client_addr;    socklen_t addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
    struct pollfd fds;    fds.fd=sockfd;    fds.events=POLLIN;    while(1)    {        cnt=poll(&fds,1,1000);        if(cnt>0)        {            cnt=recvfrom(sockfd,buff,1024,0,(struct sockaddr *)&client_addr,&addrlen);            buff[cnt]='\0';                        //判断是不是探测包数据            if(strcmp(buff,SEND_MSG)==0)            {                printf("在线好友:%s,%d-->%s:%d\n",buff,cnt,inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));                cnt=sendto(sockfd,SEND_MSG,strlen(SEND_MSG),0,(const struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(struct sockaddr));                printf("回应探测包:%d字节.\n",cnt);
                //这里可以继续写代码，将存在的好友保存在链表，并记录在线好友数量            }        }        else        {            ssize_t cnt;            struct sockaddr_in addr;            addr.sin_family=AF_INET;            addr.sin_port=htons(PORT); // 端口号0~65535            addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); //IP地址
            cnt=sendto(sockfd,SEND_MSG,strlen(SEND_MSG),0,(const struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr));            printf("探测包发送:%d字节.\n",cnt);        }    }    return 0;}

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4. 案例: 使用 UDP 协议探测在线好友

前面几篇文章介绍了 Linux 下 TCP 协议设计的群聊天室的一个程序，如果想要知道同一个网络下有多少好友在线，就可以使用 UDP 协议进行广播探测。大家的端口号是固定的，也就是只要在这个网络范围内，大家都跑这个同一个聊天室程序，就可以互相探测，得到对方 IP 地址之后，再完成 TCP 协议建立，完成点对点聊天通信。

#include <stdio.h>  #include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */#include <arpa/inet.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <string.h>#include <libgen.h>#include <sys/stat.h>#include <time.h>#include <errno.h>
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//静态初始化互斥锁#define CLIENT_COUNT 100 //服务器可容纳客户端数量#define SERVER_PORT 8080 //服务器端口号
/*----------------------------链表相关函数----------------------------*//*---------------------存储客户端信息和线程ID结构体-------------------*///存储客户端信息和线程ID结构体typedef struct node{  int nfds;      //客户端套接字  pthread_t phid;    //线程ID  char name[50];  //用户名  struct node *next;}node, *ptr_node;
//链队列typedef struct{  ptr_node head, tail;}qlink;
/**********************  链表初始化**********************/void qlink_Init(qlink *s){  s->head = s->tail = (ptr_node)malloc(sizeof(node));  if(s->tail == NULL)  {    printf("创建节点失败!\n");    exit(0);  }  s->head->next = NULL;}/**************************************** 添加节点 参数:    s --- 链表    c --- 客户端套接字    phid --- 线程ID*****************************************/void qlink_Add(qlink *s, int c, pthread_t phid){  pthread_mutex_lock(&mutex);  //互斥锁上锁(带阻塞)  ptr_node p;  p = (ptr_node)malloc(sizeof(node));  if (p == NULL)  {    printf("创建节点失败[2]!\n");    exit(0);  }  p->nfds = c;  p->phid = phid;  p->next = s->head->next;  s->head->next = p;  pthread_mutex_unlock(&mutex);//互斥锁解锁}/*--------------------------------END---------------------------------*//****************************全局变量定义******************************/qlink s;      //链表pthread_t phid;  //线程IDint sockfd_UDP;      //UDP套接字int Find_user = 0;    //找到用户标志位int f_dp;    //TCP客户端套接字int server_flag = 0;    //当成服务器int client_flag = 0;    //当成客户端/*---------------------------发送数据结构体---------------------------*/typedef struct UDP_Test{  char name[50];//用户名  char buff[100];//发送数据,探测数据:UDP_TEST  int flag;//1表示探测好友,2好友回复，3正常数据}UDP_Test;struct UDP_Test recv_msg;      //接收信息结构体struct UDP_Test send_msg;      //发送信息结构体/*--------------------------------END---------------------------------*//**********************************************************************/

/**********************************************************************/

/*****************************  信号捕获函数 *****************************/void signal_capture(int sig){  if(sig==SIGSEGV)//段错误  {    time_t sec=time(NULL); //获取系统秒单位时间      char buff[50];    struct tm *time;    time=localtime(&sec); //秒单位时间转换时间结构体    strftime(buff,sizeof(buff),"%Y/%m/%d %k:%M:%S\n",time);    printf("段错误时间:%s\n",buff);  }  else  {    #if 0    ptr_node p = s.head->next;    while(p != NULL)    {      printf("已清理资源!p->nfds = %d\n", p->nfds);      close(p->nfds);      pthread_cancel(p->phid);//杀死线程      p = p->next;    }    free(s.head);    #endif  }  printf("服务器资源清理完成\n");  exit(0);}/*--------------------------------END---------------------------------*//****************************  线程工作函数 ****************************/void *start_routine(void *arg){  #if 0  int f_dp = *(int *)arg;  memset(&send_msg, 0, sizeof(send_msg));  char buff[100];  while (1)  {    scanf("%s", buff);      strncpy(send_msg.name, "777" ,sizeof(send_msg.name));//用户名     strncpy(send_msg.buff, buff, sizeof(buff));//探测消息内容        printf("send_msg.buff = %s\n", send_msg.buff);    write(f_dp, &send_msg, sizeof(send_msg));    usleep(100);  }  #endif  char buff[50];  int cho = *(int *)arg;  if(cho == 1)      //写数据线程  {    memset(&send_msg, 0, sizeof(send_msg));    while (1)    {      scanf("%s", buff);        //strncpy(send_msg.name, buff ,sizeof(send_msg.name));//用户名      strncpy(send_msg.buff, buff, sizeof(buff));//探测消息内容            printf("send_msg.buff = %s\n", send_msg.buff);      write(f_dp, &send_msg, sizeof(send_msg));      usleep(100);    }    pthread_exit(NULL);  }  else          //读数据线程  {    int res, cnt;    fd_set readfds;//读事件    struct timeval timeout;    struct UDP_Test read_msg;    while (2)    {      FD_ZERO(&readfds);      FD_SET(f_dp, &readfds);      timeout.tv_sec = 0;      timeout.tv_usec = 0;      res = select(f_dp + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);      if(res > 0)      {        cnt = read(f_dp, &read_msg, sizeof(read_msg));        if(cnt > 0)        {          printf("接收到数据: name:%s \t data:%s\n", read_msg.name, read_msg.buff);      //接收到了对方的用户名          //break;        }        else        {          printf("好友下线!\n");          break;        }      }      else if(res < 0)      {        printf("错误!\n");      }      usleep(100);    }    pthread_exit(NULL);  }  }/*--------------------------------END---------------------------------*//*********************** 用于接收探测返回信息***********************/void *Receive_probe_retur(void *arg){  memset(&recv_msg, 0, sizeof(recv_msg));  fd_set readfds;//读事件  struct timeval timeout;  int res, cnt;  struct sockaddr_in src_addr;      //保存其它用户的ip地址和端口号  socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);  while(1)  //等待接收消息  {    FD_ZERO(&readfds);    timeout.tv_sec=0;    timeout.tv_usec=0;    FD_SET(sockfd_UDP,&readfds);    res = select(sockfd_UDP+1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);    if(res > 0)    {      cnt = recvfrom(sockfd_UDP, &recv_msg, sizeof(struct UDP_Test), 0, (struct sockaddr*)&src_addr, &addrlen);      if(cnt > 0)      {        if(recv_msg.flag == 2)    //接收到返回信息        {          printf("接收到%s用户的确认信息\n", recv_msg.name);          client_flag = 3;    //该用户当作客户端          Find_user = 1;      //标志搜索到用户，主线程不用再发探测信息了          usleep(200);          break;        }            }    }    else if(res < 0)    {      printf("错误!\n");    }  }  pthread_exit(NULL);    //杀死线程}
int main(int argc,char *argv[]){    if(argc!=2)  {    printf("./a.out <用户名>\n");    return 0;  }    signal(SIGPIPE,SIG_IGN);//忽略SIGPIPE信号  signal(SIGINT, signal_capture);      //捕获CTRL+c  signal(SIGSEGV, signal_capture);      //捕获段错误
  /* 初始化链表 */  qlink_Init(&s);    /*--------------------------通过UDP获取在线用户信息--------------------------*/  /*1.创建套接字*/  sockfd_UDP = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);  if(sockfd_UDP == -1)  {    printf("创建套接字失败\n");    return 0;  }  /*绑定端口号*/  struct sockaddr_in addr;  addr.sin_family=AF_INET;//IPV4  addr.sin_port=htons(SERVER_PORT);//端口号  addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//本地所有IP(0.0.0.0)  if(bind(sockfd_UDP,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(struct sockaddr_in)))  {    printf("绑定端口号失败\n");    close(sockfd_UDP);    return 0;  }  ssize_t cnt;  /*获取广播地址*/  //ifconfig -a |grep broadcast|awk '{print $6}'|tr -d broadcast: -- ubuntu下获取本地广播地址  //ifconfig -a |grep Bcast|awk '{print $3}'|tr -d Bcast:  --red hat下获取本地广播地址  FILE *fp = popen("ifconfig -a |grep broadcast|awk '{print $6}'|tr -d broadcast:", "r");  char ip_addr[20];  cnt = fread(ip_addr, 1, sizeof(ip_addr) - 1, fp);  ip_addr[cnt]='\0';  printf("广播地址:%s\n",ip_addr);  pclose(fp);  addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip_addr);//广播IP地址  //设置该套接字为广播类型  const int opt = 1;  int nb = 0;  nb = setsockopt(sockfd_UDP, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char *)&opt, sizeof(opt));  if(nb == -1)  {    printf("设置广播类型错误.\n");    close(sockfd_UDP);    return 0;  }  
  /*-----------------------------接收探测信息-----------------------------*/  fd_set readfds;//读事件  struct timeval timeout;  int res;  struct sockaddr_in src_addr;      //保存其它用户的ip地址和端口号  socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);    int count = 0;  memset(&recv_msg, 0, sizeof(recv_msg));  memset(&send_msg, 0, sizeof(send_msg));  /* 循环等待 5秒 探测信息 */  while(1)  {    FD_ZERO(&readfds);    timeout.tv_sec=0;    timeout.tv_usec=0;    FD_SET(sockfd_UDP,&readfds);    res = select(sockfd_UDP+1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);    if(res>0)    {      cnt = recvfrom(sockfd_UDP, &recv_msg, sizeof(struct UDP_Test), 0, (struct sockaddr*)&src_addr, &addrlen);      if(cnt > 0)      {        if(recv_msg.flag == 1)    //接收到其它用户发出的探测信息，得到对方的IP地址        {          printf("user addr:%s \t user port:%d\n", inet_ntoa(src_addr.sin_addr), ntohs(src_addr.sin_port));          printf("接收到数据: name:%s \t data:%s\n", recv_msg.name, recv_msg.buff);      //接收到了对方的用户名                    /* 当接收到探测信息后，返回确认收到信息给该用户 */          strncpy(send_msg.name, argv[1], sizeof(send_msg.name));//用户名          send_msg.flag = 2;//确认收到探测信息标志          cnt = sendto(sockfd_UDP, &send_msg, sizeof(struct UDP_Test), 0, (const struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in));          printf("确认消息发送成功\n");          /*--------------------------------------------------------------*/                    printf("搜索到在线用户 %s\n", recv_msg.name);          client_flag = 3;    //接收到探测信息，该用户当作客户端          //qlink_Add(&s, , pthread_t phid);          close(sockfd_UDP);          break;        }            }    }    else if(res < 0)    {      printf("错误!\n");    }    usleep(100);    count++;    if(count >= 50000)    //若是5秒后还没有接收到探测信息，则跳出循环    {      count = 0;      server_flag = 3;  //设置成服务器      break;    }  }  /*----------------------------------END--------------------------------*//****************************************************客户端***********************************************************/    if(client_flag == 3)    //标志在此次是客户端  {    /*1.创建套接字*/    int sockfd_c = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if(sockfd_c == -1)    {      printf("创建网络套接字失败\n");      return 0;    }    /*2.连接服务器*/    struct sockaddr_in t_addr;    char buff[20];    strcpy(buff, inet_ntoa(src_addr.sin_addr));    int n = strlen(buff);    buff[n] = '\0';    printf("buff:%s\n", buff);    t_addr.sin_family = AF_INET;//IPV4    t_addr.sin_port = htons(8089);//端口号    t_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(buff);//服务器IP      while(1)    {      printf("准备连接服务器:connect addr:%s \t user port:%d\n", inet_ntoa(t_addr.sin_addr), ntohs(t_addr.sin_port));            printf("sockfd_c:%d\n",sockfd_c);      if(connect(sockfd_c, (const struct sockaddr *)&t_addr, sizeof(struct sockaddr_in)))      {        printf("连接失败:%s,%d\n",strerror(errno),errno);        sleep(2);      }      else      {        printf("服务器连接成功\n");        break;      }    }            /*-----------------------将自己的用户信息发送过去----------------------*/    memset(&send_msg, 0, sizeof(send_msg));    strncpy(send_msg.name,argv[1],sizeof(send_msg.name));//用户名    write(sockfd_c, &send_msg, sizeof(send_msg));    //将用户信息发送过去    /*----------------------------------END--------------------------------*/    while(1);      }/****************************************************服务器***********************************************************/  else if(server_flag = 3)    //标志在此次是服务器  {    memset(&send_msg, 0, sizeof(send_msg));    pthread_t phid_1;    pthread_create(&phid_1, NULL, Receive_probe_retur, NULL);    //创建线程 用于接收探测返回信息    /************************************主线程循环发送探测消息******************************************/    while(1)    {      strncpy(send_msg.name, argv[1], sizeof(send_msg.name));//用户名      //strncpy(send_msg.buff, "UDP_TEST", sizeof(send_msg.buff));//探测消息内容      send_msg.flag = 1;//探测消息标志      cnt = sendto(sockfd_UDP, &send_msg, sizeof(struct UDP_Test), 0, (const struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in));      printf("探测消息发送成功\n");      if(Find_user == 1)    //标志在子线程内找到了在线用户      {        break;      }      sleep(1);    }    /*****************************开始创建TCP服务器********************************/    /* 创建套接字 */    int sockfd_TCP = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if(sockfd_TCP == -1)    {      printf("网络套接字创建失败\n");      return 0;    }    /*允许绑定已使用的端口号*/    int on = 1;/*  */    setsockopt(sockfd_TCP, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));        /* 绑定端口号 */    struct sockaddr_in s_addr;    s_addr.sin_family = AF_INET;    //设置为IPV4    s_addr.sin_port = htons(8089);//端口号    s_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;     //IP地址，该参数是让系统随机分配    if(bind(sockfd_TCP, (const struct sockaddr *)&s_addr, sizeof(s_addr)))    {      printf("绑定端口号失败!\n");      return 0;    }    //设置监听数量    listen(sockfd_TCP, 100);    /* 等待客户端连接 */    int i;    pthread_t phid[2];    int *p;    printf("已跳出循环\n");    while(1)    {      struct sockaddr_in c_addr;  //客户端属性信息      socklen_t c_addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);      f_dp = accept(sockfd_TCP, (struct sockaddr *)&c_addr, &c_addr_len);      printf("%d客户端连接成功,ip=%s:%d\n",f_dp,inet_ntoa(c_addr.sin_addr),ntohs(c_addr.sin_port));      read(f_dp, &recv_msg, sizeof(recv_msg));    //第一次读取用户信息      printf("user name = %s\n", recv_msg.name);      for (i = 1; i <= 2; i++)      {        p = malloc(sizeof(int));        *p = i;        pthread_create(&phid[i - 1], NULL, start_routine, p);      //创建线程  -- i == 1是读， i ==2写        pthread_detach(phid[i - 1]);//设置为分离属性      }        }   }  /*----------------------------------END--------------------------------*/  #if 0  pthread_t phid;  int *p = malloc(sizeof(int));  *p = sockfd_c;  pthread_create(&phid, NULL, start_routine, p);    //创建线程  pthread_detach(phid);          //设置分离属性  /*-------------------------------主线程读------------------------------*/  struct UDP_Test re_msg;  //存储读到的数据  fd_set readfds_2;//读事件  while(1)  {    FD_ZERO(&readfds_2);//初始化读事件    FD_SET(sockfd_c,&readfds_2);//添加要监测的描述符到读事件集合中    timeout.tv_sec=0;    timeout.tv_usec=0;    //printf("用户 \n");    res = select(sockfd_c + 1, &readfds_2, NULL, NULL, &timeout);    if(res > 0)  //当有数据的时候进行上锁    {      memset(&re_msg, 0, sizeof(re_msg));      pthread_mutex_lock(&mutex);  //互斥锁上锁(带阻塞)      int n = read(sockfd_c, &re_msg, sizeof(re_msg));    //读取数据      if(n <= 0)      {        printf("好友下线!\n");        break;      }      else      {        printf("用户 %s\t 消息 %s\n", re_msg.name, re_msg.buff);      }      pthread_mutex_unlock(&mutex);//互斥锁解锁    }    else if(res < 0)    {      printf("select函数出错!\n");      break;    }    usleep(100);  }  #endif  /*----------------------------------END--------------------------------*/  return 0;}