再谈UDP和TCP

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TCP 是面向连接的传输协议，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次握手，中间传输数据时也要回复 ACK 包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

UDP 是非连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要 ACK 包确认。

UDP 传输数据就好像我们邮寄包裹，邮寄前需要填好寄件人和收件人地址，之后送到快递公司即可，但包裹是否正确送达、是否损坏我们无法得知，也无法保证。UDP 协议也是如此，它只管把数据包发送到网络，然后就不管了，如果数据丢失或损坏，发送端是无法知道的，当然也不会重发。

既然如此，TCP 应该是更加优质的传输协议吧？

如果只考虑可靠性，TCP 的确比 UDP 好。但 UDP 在结构上比 TCP 更加简洁，不会发送 ACK 的应答消息，也不会给数据包分配 Seq 序号，所以 UDP 的传输效率有时会比 TCP 高出很多，编程中实现 UDP 也比 TCP 简单。

UDP 的可靠性虽然比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁，在更加重视传输效率而非可靠性的情况下，UDP 是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信，就非常适合采用 UDP 协议；通信时数据必须高效传输才不会产生“卡顿”现象，用户体验才更加流畅，如果丢失几个数据包，视频画面可能会出现“雪花”，音频可能会夹带一些杂音，这些都是无妨的。

与 UDP 相比，TCP 的生命在于流控制，这保证了数据传输的正确性。

最后需要说明的是：TCP 的速度无法超越 UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近 UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

基于UDP的服务器端和客户端

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前面的文章中我们给出了几个 TCP 的例子，对于 UDP 而言，只要能理解前面的内容，实现并非难事。

UDP中的服务器端和客户端没有连接

UDP 不像 TCP，无需在连接状态下交换数据，因此基于 UDP 的服务器端和客户端也无需经过连接过程。也就是说，不必调用 listen() 和 accept() 函数。UDP 中只有创建套接字的过程和数据交换的过程。

UDP服务器端和客户端均只需1个套接字

TCP 中，套接字是一对一的关系。如要向 10 个客户端提供服务，那么除了负责监听的套接字外，还需要创建 10 套接字。但在 UDP 中，不管是服务器端还是客户端都只需要 1 个套接字。之前解释 UDP 原理的时候举了邮寄包裹的例子，负责邮寄包裹的快递公司可以比喻为 UDP 套接字，只要有 1 个快递公司，就可以通过它向任意地址邮寄包裹。同样，只需 1 个 UDP 套接字就可以向任意主机传送数据。

基于UDP的接收和发送函数

创建好 TCP 套接字后，传输数据时无需再添加地址信息，因为 TCP 套接字将保持与对方套接字的连接。换言之，TCP 套接字知道目标地址信息。但 UDP 套接字不会保持连接状态，每次传输数据都要添加目标地址信息，这相当于在邮寄包裹前填写收件人地址。

发送数据使用 sendto() 函数：

ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);  //Linux
int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);  //Windows

Linux 和 Windows 下的 sendto() 函数类似，下面是详细参数说明：

• sock：用于传输 UDP 数据的套接字；
• buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
• nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
• flags：可选项参数，若没有可传递 0；
• to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
• addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。

UDP 发送函数 sendto() 与TCP发送函数 write()/send() 的最大区别在于，sendto() 函数需要向他传递目标地址信息。

接收数据使用 recvfrom() 函数：

ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);  //Linux
int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);  //Windows

由于 UDP 数据的发送端不定，所以 recvfrom() 函数定义为可接收发送端信息的形式，具体参数如下：

• sock：用于接收 UDP 数据的套接字；
• buf：保存接收数据的缓冲区地址；
• nbytes：可接收的最大字节数（不能超过 buf 缓冲区的大小）；
• flags：可选项参数，若没有可传递 0；
• from：存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
• addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。

基于UDP的回声服务器端/客户端

下面结合之前的内容实现回声客户端。需要注意的是，UDP 不同于 TCP，不存在请求连接和受理过程，因此在某种意义上无法明确区分服务器端和客户端，只是因为其提供服务而称为服务器端，希望各位读者不要误解。

下面给出 Windows 下的代码，Linux 与此类似，不再赘述。

服务器端 server.cpp：

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100
int main(){
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
    //创建套接字
    SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    //绑定套接字
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
    servAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //自动获取IP地址
    servAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(sock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(SOCKADDR));
    //接收客户端请求
    SOCKADDR clntAddr;  //客户端地址信息
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE];  //缓冲区
    while(1){
        int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &clntAddr, &nSize);
        sendto(sock, buffer, strLen, 0, &clntAddr, nSize);
    }
    closesocket(sock);
    WSACleanup();
    return 0;
}

代码说明：

1. 第 12 行代码在创建套接字时，向 socket() 第二个参数传递 SOCK_DGRAM，以指明使用 UDP 协议。

2. 第 18 行代码中使用htonl(INADDR_ANY)来自动获取 IP 地址。

利用常数 INADDR_ANY 自动获取 IP 地址有一个明显的好处，就是当软件安装到其他服务器或者服务器 IP 地址改变时，不用再更改源码重新编译，也不用在启动软件时手动输入。而且，如果一台计算机中已分配多个 IP 地址（例如路由器），那么只要端口号一致，就可以从不同的 IP 地址接收数据。所以，服务器中优先考虑使用 INADDR_ANY；而客户端中除非带有一部分服务器功能，否则不会采用。

客户端 client.cpp：

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll
#define BUF_SIZE 100
int main(){
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
    //创建套接字
    SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    //服务器地址信息
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));  //每个字节都用0填充
    servAddr.sin_family = PF_INET;
    servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    servAddr.sin_port = htons(1234);
    //不断获取用户输入并发送给服务器，然后接受服务器数据
    struct sockaddr fromAddr;
    int addrLen = sizeof(fromAddr);
    while(1){
        char buffer[BUF_SIZE] = {0};
        printf("Input a string: ");
        gets(buffer);
        sendto(sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr));
        int strLen = recvfrom(sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &fromAddr, &addrLen);
        buffer[strLen] = 0;
        printf("Message form server: %s\n", buffer);
    }
    closesocket(sock);
    WSACleanup();
    return 0;
}

先运行 server，再运行 client，client 输出结果为：

Input a string: C语言中文网
Message form server: C语言中文网
Input a string: c.biancheng.net Founded in 2012
Message form server: c.biancheng.net Founded in 2012
Input a string:

从代码中可以看出，server.cpp 中没有使用 listen() 函数，client.cpp 中也没有使用 connect() 函数，因为 UDP 不需要连接。