引言在前面的基础篇中我们已经接触到了 UDP 数据报协议相关的知识在我们的脑海里已经深深印上了“UDP 等于无连接协议”的特性。那么看到这一讲的题目你是不是觉得有点困惑没关系和我一起进入“已连接”的 UDP 的世界回头再看这个标题相信你就会恍然大悟。从一个例子开始我们先从一个客户端例子开始在这个例子中客户端在 UDP 套接字上调用 connect 函数之后将标准输入的字符串发送到服务器端并从服务器端接收处理后的报文。当然向服务器端发送和接收报文是通过调用函数 sendto 和 recvfrom 来完成的。#include lib/common.h # define MAXLINE 4096 int main(int argc, char **argv) { if (argc ! 2) { error(1, 0, usage: udpclient1 IPaddress); } int socket_fd; socket_fd socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); struct sockaddr_in server_addr; bzero(server_addr, sizeof(server_addr)); server_addr.sin_family AF_INET; server_addr.sin_port htons(SERV_PORT); inet_pton(AF_INET, argv[1], server_addr.sin_addr); socklen_t server_len sizeof(server_addr); if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) server_addr, server_len)) { error(1, errno, connect failed); } struct sockaddr *reply_addr; reply_addr malloc(server_len); char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE 1]; socklen_t len; int n; while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) ! NULL) { int i strlen(send_line); if (send_line[i - 1] \n) { send_line[i - 1] 0; } printf(now sending %s\n, send_line); size_t rt sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) server_addr, server_len); if (rt 0) { error(1, errno, sendto failed); } printf(send bytes: %zu \n, rt); len 0; recv_line[0] 0; n recvfrom(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0, reply_addr, len); if (n 0) error(1, errno, recvfrom failed); recv_line[n] 0; fputs(recv_line, stdout); fputs(\n, stdout); } exit(0); }我对这个程序做一个简单的解释9-10 行创建了一个 UDP 套接字12-16 行创建了一个 IPv4 地址绑定到指定端口和 IP20-22 行调用 connect 将 UDP 套接字和 IPv4 地址进行了“绑定”这里 connect 函数的名称有点让人误解其实可能更好的选择是叫做 setpeername31-55 行是程序的主体读取标准输入字符串后调用 sendto 发送给对端之后调用 recvfrom 等待对端的响应并把对端响应信息打印到标准输出。在没有开启服务端的情况下我们运行一下这个程序$ ./udpconnectclient 127.0.0.1 g1 now sending g1 send bytes: 2 recvfrom failed: Connection refused (111)看到这里你会不会觉得很奇怪不是说好 UDP 是“无连接”的协议吗不是说好 UDP 客户端只会阻塞在 recvfrom 这样的调用上吗怎么这里冒出一个“Connection refused”的错误呢别着急下面就跟着我的思路慢慢去解开这个谜团。UDP connect 的作用从前面的例子中你会发现我们可以对 UDP 套接字调用 connect 函数但是和 TCP connect 调用引起 TCP 三次握手建立 TCP 有效连接不同UDP connect 函数的调用并不会引起和服务器目标端的网络交互也就是说并不会触发所谓的“握手”报文发送和应答。那么对 UDP 套接字进行 connect 操作到底有什么意义呢其实上面的例子已经给出了答案这主要是为了让应用程序能够接收“异步错误”的信息。如果我们回想一下第 6 篇不调用 connect 操作的客户端程序在服务器端不开启的情况下客户端程序是不会报错的程序只会阻塞在 recvfrom 上等待返回或者超时。在这里我们通过对 UDP 套接字进行 connect 操作将 UDP 套接字建立了“上下文”该套接字和服务器端的地址和端口产生了联系正是这种绑定关系给了操作系统内核必要的信息能够将操作系统内核收到的信息和对应的套接字进行关联。我们可以展开讨论一下。事实上当我们调用 sendto 或者 send 操作函数时应用程序报文被发送我们的应用程序返回操作系统内核接管了该报文之后操作系统开始尝试往对应的地址和端口发送因为对应的地址和端口不可达一个 ICMP 报文会返回给操作系统内核该 ICMP 报文含有目的地址和端口等信息。如果我们不进行 connect 操作建立UDP 套接字——目的地址 端口之间的映射关系操作系统内核就没有办法把 ICMP 不可达的信息和 UDP 套接字进行关联也就没有办法将 ICMP 信息通知给应用程序。如果我们进行了 connect 操作帮助操作系统内核从容建立了UDP 套接字——目的地址 端口之间的映射关系当收到一个 ICMP 不可达报文时操作系统内核可以从映射表中找出是哪个 UDP 套接字拥有该目的地址和端口别忘了套接字在操作系统内部是全局唯一的当我们在该套接字上再次调用 recvfrom 或 recv 方法时就可以收到操作系统内核返回的“Connection Refused”的信息。收发函数在对 UDP 进行 connect 之后关于收发函数的使用很多书籍是这样推荐的使用 send 或 write 函数来发送如果使用 sendto 需要把相关的 to 地址信息置零使用 recv 或 read 函数来接收如果使用 recvfrom 需要把对应的 from 地址信息置零。其实不同的 UNIX 实现对此表现出来的行为不尽相同。在我的 Linux 4.4.0 环境中使用 sendto 和 recvfrom系统会自动忽略 to 和 from 信息。在我的 macOS 10.13 中确实需要遵守这样的规定使用 sendto 或 recvfrom 会得到一些奇怪的结果切回 send 和 recv 后正常。考虑到兼容性我们也推荐这些常规做法。所以在接下来的程序中我会使用这样的做法来实现。服务器端 connect 的例子一般来说服务器端不会主动发起 connect 操作因为一旦如此服务器端就只能响应一个客户端了。不过有时候也不排除这样的情形一旦一个客户端和服务器端发送 UDP 报文之后该服务器端就要服务于这个唯一的客户端。一个类似的服务器端程序如下#include lib/common.h static int count; static void recvfrom_int(int signo) { printf(\nreceived %d datagrams\n, count); exit(0); } int main(int argc, char **argv) { int socket_fd; socket_fd socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); struct sockaddr_in server_addr; bzero(server_addr, sizeof(server_addr)); server_addr.sin_family AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY); server_addr.sin_port htons(SERV_PORT); bind(socket_fd, (struct sockaddr *) server_addr, sizeof(server_addr)); socklen_t client_len; char message[MAXLINE]; message[0] 0; count 0; signal(SIGINT, recvfrom_int); struct sockaddr_in client_addr; client_len sizeof(client_addr); int n recvfrom(socket_fd, message, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *) client_addr, client_len); if (n 0) { error(1, errno, recvfrom failed); } message[n] 0; printf(received %d bytes: %s\n, n, message); if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) client_addr, client_len)) { error(1, errno, connect failed); } while (strncmp(message, goodbye, 7) ! 0) { char send_line[MAXLINE]; sprintf(send_line, Hi, %s, message); size_t rt send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0); if (rt 0) { error(1, errno, send failed ); } printf(send bytes: %zu \n, rt); size_t rc recv(socket_fd, message, MAXLINE, 0); if (rc 0) { error(1, errno, recv failed); } count; } exit(0); }我对这个程序做下解释11-12 行创建 UDP 套接字14-18 行创建 IPv4 地址绑定到 ANY 和对应端口20 行绑定 UDP 套接字和 IPv4 地址27 行为该程序注册一个信号处理函数以响应 CtrlC 信号量操作32-37 行调用 recvfrom 等待客户端报文到达并将客户端信息保持到 client_addr 中39-41 行调用 connect 操作将 UDP 套接字和客户端 client_addr 进行绑定43-59 行是程序的主体对接收的信息进行重新处理加上”Hi“前缀后发送给客户端并持续不断地从客户端接收报文该过程一直持续直到客户端发送“goodbye”报文为止。注意这里所有收发函数都使用了 send 和 recv。接下来我们实现一个 connect 的客户端程序#include lib/common.h # define MAXLINE 4096 int main(int argc, char **argv) { if (argc ! 2) { error(1, 0, usage: udpclient3 IPaddress); } int socket_fd; socket_fd socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); struct sockaddr_in server_addr; bzero(server_addr, sizeof(server_addr)); server_addr.sin_family AF_INET; server_addr.sin_port htons(SERV_PORT); inet_pton(AF_INET, argv[1], server_addr.sin_addr); socklen_t server_len sizeof(server_addr); if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) server_addr, server_len)) { error(1, errno, connect failed); } char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE 1]; int n; while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) ! NULL) { int i strlen(send_line); if (send_line[i - 1] \n) { send_line[i - 1] 0; } printf(now sending %s\n, send_line); size_t rt send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0); if (rt 0) { error(1, errno, send failed ); } printf(send bytes: %zu \n, rt); recv_line[0] 0; n recv(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0); if (n 0) error(1, errno, recv failed); recv_line[n] 0; fputs(recv_line, stdout); fputs(\n, stdout); } exit(0); }我对这个客户端程序做一下解读9-10 行创建了一个 UDP 套接字12-16 行创建了一个 IPv4 地址绑定到指定端口和 IP20-22 行调用 connect 将 UDP 套接字和 IPv4 地址进行了“绑定”27-46 行是程序的主体读取标准输入字符串后调用 send 发送给对端之后调用 recv 等待对端的响应并把对端响应信息打印到标准输出。注意这里所有收发函数也都使用了 send 和 recv。接下来我们先启动服务器端程序然后依次开启两个客户端分别是客户端 1、客户端 2并且让客户端 1 先发送 UDP 报文。服务器端$ ./udpconnectserver received 2 bytes: g1 send bytes: 6客户端 1./udpconnectclient2 127.0.0.1 g1 now sending g1 send bytes: 2 Hi, g1客户端 2./udpconnectclient2 127.0.0.1 g2 now sending g2 send bytes: 2 recv failed: Connection refused (111)我们看到客户端 1 先发送报文服务端随之通过 connect 和客户端 1 进行了“绑定”这样客户端 2 从操作系统内核得到了 ICMP 的错误该错误在 recv 函数中返回显示了“Connection refused”的错误信息。性能考虑一般来说客户端通过 connect 绑定服务端的地址和端口对 UDP 而言可以有一定程度的性能提升。这是为什么呢因为如果不使用 connect 方式每次发送报文都会需要这样的过程连接套接字→发送报文→断开套接字→连接套接字→发送报文→断开套接字 →………而如果使用 connect 方式就会变成下面这样连接套接字→发送报文→发送报文→……→最后断开套接字我们知道连接套接字是需要一定开销的比如需要查找路由表信息。所以UDP 客户端程序通过 connect 可以获得一定的性能提升。总结在今天的内容里我对 UDP 套接字调用 connect 方法进行了深入的分析。之所以对 UDP 使用 connect绑定本地地址和端口是为了让我们的程序可以快速获取异步错误信息的通知同时也可以获得一定性能上的提升。