网络编程之 UDP：用户数据报协议详解与实战

UDP（User Datagram Protocol）作为传输层的重要协议，以其无连接、不可靠但高效的特性，在实时通信、流媒体等领域有着广泛应用。本文将深入解析 UDP 的核心概念，并通过实战案例展示其编程实现。

一、UDP 协议特性

UDP 与 TCP 相比，具有以下特点： 

• 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据。
• 不可靠：不保证数据的可靠传输，可能丢包、乱序。
• 高效：无需维护连接状态，开销小，适合实时性要求高的场景。
• 面向数据报：数据以独立的数据包形式传输，边界清晰。

二、UDP 编程框架

UDP 编程采用 C/S 模式，基本框架如下： 

服务器端：

socket() → bind() → recvfrom() → close()

客户端：

socket() → [bind()] → sendto() → close()

关键函数：

• socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建 UDP 套接字。
• sendto()：发送数据报。
• recvfrom()：接收数据报。

三、UDP 核心函数解析

1. sendto() 函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

• 功能：向指定目标发送数据。
• 参数：
  • dest_addr：目标地址（必选）。
  • addrlen：地址长度。

2. recvfrom() 函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

• 功能：接收数据并获取发送方地址（可选）。
• 参数：
  • src_addr：发送方地址（若为 NULL 则忽略）。
  • addrlen：地址长度指针。

四、UDP 编程实战

1. UDP 测试程序

服务器端代码（udp_server.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define PORT 50000
#define BUF_SIZE 1024int main() {// 创建 UDP 套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置服务器地址struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;serv_addr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("UDP Server listening on port %d...\n", PORT);// 接收数据char buffer[BUF_SIZE];struct sockaddr_in cli_addr;socklen_t len = sizeof(cli_addr);while (1) {memset(buffer, 0, BUF_SIZE);ssize_t n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUF_SIZE,MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cli_addr,&len);if (n < 0) {perror("recvfrom failed");continue;}printf("Client [%s:%d]: %s\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port),buffer);// 回显消息sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer),MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&cli_addr, len);}close(sockfd);return 0;
}

客户端代码（udp_client.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 50000
#define BUF_SIZE 1024int main() {// 创建 UDP 套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置服务器地址struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(PORT);serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);char buffer[BUF_SIZE];socklen_t len = sizeof(serv_addr);while (1) {printf("Enter message (or 'exit' to quit): ");fgets(buffer, BUF_SIZE, stdin);buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;  // 去除换行符if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {break;}// 发送数据sendto(sockfd, (const char *)buffer, strlen(buffer),MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *)&serv_addr, len);// 接收响应memset(buffer, 0, BUF_SIZE);ssize_t n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUF_SIZE,MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&serv_addr,&len);if (n < 0) {perror("recvfrom failed");continue;}printf("Server: %s\n", buffer);}close(sockfd);return 0;
}

2. 点对点聊天程序

基于 UDP 的点对点聊天程序需要双方同时作为客户端和服务器：

// 简化版点对点聊天程序框架
void chat_client() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);// 初始化地址...// 创建两个线程：一个接收消息，一个发送消息pthread_t recv_thread, send_thread;pthread_create(&recv_thread, NULL, receive_messages, &sockfd);pthread_create(&send_thread, NULL, send_messages, &sockfd);pthread_join(recv_thread, NULL);pthread_join(send_thread, NULL);close(sockfd);
}

五、UDP 聊天室实现

需求分析

• 注册机制：客户端连接时向服务器注册。
• 消息转发：服务器将消息广播给所有在线客户端。
• 下线通知：客户端下线时通知其他用户。

核心设计

服务器端：

// 客户端信息结构体
typedef struct {struct sockaddr_in addr;char username[50];int online;
} Client;Client clients[MAX_CLIENTS];  // 客户端列表// 处理注册请求
void handle_registration(int sockfd, struct sockaddr_in *client_addr, char *username) {// 查找空位或已有客户端// 更新客户端信息// 通知其他客户端
}// 处理消息转发
void handle_message(int sockfd, struct sockaddr_in *client_addr, char *message) {// 查找发送者// 转发消息给所有在线客户端
}// 主循环
while (1) {recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);// 解析消息类型（注册、消息、下线）// 调用相应处理函数
}

客户端：

// 发送线程
void *send_messages(void *arg) {int sockfd = *(int *)arg;struct sockaddr_in server_addr;// 初始化服务器地址...// 注册用户名sendto(sockfd, username, strlen(username), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));// 循环发送消息while (1) {fgets(message, BUF_SIZE, stdin);sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));}
}// 接收线程
void *receive_messages(void *arg) {int sockfd = *(int *)arg;// 循环接收消息并打印
}

六、UDP 与 TCP 的对比

七、总结

UDP 以其简单高效的特点，在需要快速传输、实时性要求高的场景中表现出色。本文从 UDP 的基本特性出发，详细解析了其编程框架和核心函数，并通过三个实战案例（测试程序、点对点聊天、聊天室）展示了 UDP 的应用方式。

虽然 UDP 不保证可靠传输，但在许多场景下，这种 “不可靠” 恰恰成为其优势。通过合理的上层设计（如重传机制、消息确认），UDP 也能在一定程度上弥补其不足，满足复杂应用的需求。