性能测试脚本SocketUDP协议.docx

一. UDP和Socket通信环节
1.UDP Server程序
1、编写UDP Server程序的环节
(1)使用socket()来建立一个UDP socket，第二个参数为SOCK_DGRAM。
(2)初始化sockaddr_in结构的变量，并赋值。sockaddr_in结构定义：
struct sockaddr_in {
uint8_t sin_len;
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
这里使用“08”作为服务程序的端口，使用“INADDR_ANY”作为绑定的IP地址即任何主机上的地址。
(3)使用bind()把上面的socket和定义的IP地址和端口绑定。这里检查bind()是否执行成功，假如有错误就退出。这样可以防止服务程序反复运营的问题。
(4)进入无限循环程序，使用recvfrom()进入等待状态，直到接受到客户程序发送的数据，就解决收到的数据，并向客户程序发送反馈。这里是直接把收到的数据发回给客户程序。

2、udpserv.c程序内容：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888

void do_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
{
int n;
socklen_t len;
char mesg[MAXLINE];

for(;;)
{
len = clilen;
/* waiting for receive data */
n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
/* sent data back to client */
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
}
}

int main(void)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* create a socket */

/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

/* bind address and port to socket */
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
perror("bind error");
exit(1);
}

do_echo(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));

return 0;
}

2.UDP Client程序
1、编写UDP Client程序的环节
(1)初始化sockaddr_in结构的变量，并赋值。这里使用“8888”作为连接的服务程序的端口，从命令行参数读取IP地址，并且判断IP地址是否符合规定。
(2)使用socket()来建立一个UDP socket，第二个参数为SOCK_DGRAM。
(3)使用connect()来建立与服务程序的连接。与TCP协议不同，UDP的connect()并没有与服务程序三次握手。上面我们说了UDP是非连接的，事实上也可以是连接的。使用连接的UDP，kernel可以直接返回错误信息给用户程序，从而避免由于没有接受到数据而导致调用recvfrom()一直等待下去，看上去仿佛客户程序没有反映同样。
(4)向服务程序发送数据，由于使用连接的UDP，所以使用write()来替代sendto()。这里的数据直接从标准输入读取用户输入。
(5)接受服务程序发回的数据，同样使用read()来替代recvfrom()。
(6)解决接受到的数据，这里是直接输出到标准输出上。

2、udpclient.c程序内容：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888

void do_cli(FILE *fp, int sockfd, struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
{
int n;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];

/* connect to server */
if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen) == -1)
{
perror("connect error");
exit(1);
}

while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
/* read a line and send to server */
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
/* receive data from server */
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if(n == -1)
{
perror("read error");
exit(1);
}
recvline[n] = 0; /* terminate string */
fputs(recvline, stdout);
}
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in srvaddr;

/* check args */
if(argc != 2)
{
printf("usage: udpclient <IPaddress>\n");
exit(1);
}

/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
{
printf("[%s] is not a valid IPaddress\n", argv[1]);
exit(1);
}

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

do_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

return 0;
}

运营例子程序
1、编译例子程序
使用如下命令来编译例子程序：
gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c
编译完毕生成了udpserv和udpclient两个可执行程序。

2、运营UDP Server程序
执行./udpserv &命令来启动服务程序。我们可以使用netstat -ln命令来观测服务程序绑定的IP地址和端口，部分输出信息如下：
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
tcp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:6000 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN
udp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:8888 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:882 0.0.0.0:*
可以看到udp处有“0.0.0.0:8888”的内容，说明服务程序已经正常运营，可以接受主机上任何IP地址且端口为8888的数据。
假如这时再执行./udpserv &命令，就会看到如下信息：
bind error: Address already in use
说明已有一个服务程序在运营了。

3、运营UDP Client程序
执行./udpclient 127.0.0.1命令来启动客户程序，使用127.0.0.1来连接服务程序，执行效果如下：
Hello, World!
Hello, World!
this is a test
this is a test
^d
输入的数据都对的从服务程序返回了，按ctrl+d可以结束输入，退出程序。
假如服务程序没有启动，而执行客户程序，就会看到如下信息：
$ ./udpclient 127.0.0.1
test
read error: Connection refused
说明指定的IP地址和端口没有服务程序绑定，客户程序就退出了。这就是使用connect()的好处，注意，这里错误信息是在向服务程序发送数据后收到的，而不是在调用connect()时。假如你使用tcpdump程序来抓包，会发现收到的是ICMP的错误信息。
二. TCP协议与UDP协议特点的比较
1.TCP协议与UDP协议特点的比较
一方面，TCP是一种面向连接的协议，而UDP是无连接的。这其中的区别在于：第一，TCP协议是以连接作为协议数据的最终目的的。UDP协议则是以目的端口作为协议数据的最终目的。因此，TCP的协议端口是可以复用的，UDP协议的端口在批准时间只能为一个应用程序所用。第二，一个连接是由两个端点构成的。要使用TCP进行通信必须先在通信双方之间建立连接，连接的两端必须就连接的一些问题进行协商（如最大数据段长度、窗口大小、初始序列号等），并为该连接分派一定的资源（缓冲区）。UDP协议则不需要这个过程，可以直接发送和接受数据。
另一方面，TCP提供的是可靠的传输服务，而UDP协议提供的是不可靠的服务。使用不可靠的服务进行传输时，数据也许会丢失、失序、反复等。而可靠的服务能保证发送方发送的数据能原样到达接受方。
最后，TCP提供的是面向字节流的服务。应用程序只需将要传输的数据以字节流的形式提交给TCP协议，在连接的另一段，数据以同样的字节流顺序出现在接受程序中。而UDP协议的传输单位是数据块，一个数据块只能封装在一个UDP数据包中。
2.TCP协议与UDP协议应用的比较
由于TCP协议要先建立之后才干进行通信，而连接的建立过程需要一定的时间。所以假如应用程序只有少量数据需要传输则不合用使用TCP协议，由于连接建立的开销大于其方便性的优点。但对于虽然数据量少但需要时间较长且可靠性规定高的应用TCP也是比较适合的。Telnet就是这种应用的例子。
实时应用不管数据量大小，不管对可靠性规定高低都不适合使用TCP协议，由于TCP协议对数据的传输是有先后顺序的，只有前面的传输成功才会开始后面的数据传送。这显然是不符合实时应用的规定的。
此外，由于TCP协议时面向连接的，一个连接必须且只能有两个端点，所以对于多个实体间的多播式应用无法使用TCP进行通信，由于对于n个实体间的通信需要n*(n+1)/2个连接。n很大时连接数太多。
对于不适合使用TCP协议的应用就只能使用UDP协议了。但使用UDP协议进行通信时应用程序必须自己解决下列问题。
（1）应用程序必须自己提供机制来保证可靠性。应用程序必须有自己的超时重发机制、数据失序的解决、流量控制等。当然对于一些可靠性规定不高的应用可以不用这些机制，但通常都需要区分数据的先后关系。
（2）应用程序必须解决大块数据的分割，以让其能封装在一个UDP数据包中。在接受方还必须再将分割的数据进行重组。
TCP协议和UDP协议各有所长、各有所短，合用于不同规定的通信环境。TCP协议和UDP协议之间的比较如下表3所示。

表3 TCP与UDP的比较表
比较项目
TCP
UDP
建立的连接与关闭
有
无
数据传输效率
低
高
对数据的确认
有
无
流量控制
有（滑动窗口）
无
丢失分阻的重发
有
无（由高层应用程序负责）
协议复杂性
复杂
简朴
发送端缓冲
有
无
分组排序
有
无
对反复分组的检测
有
无
校验和
有
有（且算发相同）
在低层被分片的情况
也许性小（由于在连接建立时，双方告知各自的MSS，每个TCP报文段的长度不超过MSS）
也许性大（由于应用程序每次输出都产生一个UDP报文，当一次有大量数据要输出时，常在低层被分片）
广播与多播
不支持（由于要建立一对一连接）
支持
适合场合
可靠性规定高，有大量数据要连续传输，该协议在互联网中应用较多
对可靠性规定一般，但规定高效传输数据，或应用于数据传输量小的场合

三．UDP传输协议的实现
为了进一步了解UDP的工作原理，实现数据传输，运用C++语言编一个简朴的聊天的程序，并实现UDP数据传输的功能。其程序如附录。
无连接的数据报传输服务通信时，客户端与服务器端工作流程如下：
●使用WSAStartup()函数检查系统协议栈的安装情况
●使用socket()函数创建套接口，以拟定协议类型
●调用bind()函数将创建的套接口与本地地址绑定，拟定本地地址和本地端标语
●使用sendto()函数发送数据，或者使用recvfrom()函数接受数据
●使用closesocket()函数关闭套接口
●调用WSACleanup()函数，结束Windows Sockets API
并且在运营过程中应当注意一下方面：
●通信的一方可以不用bind()绑定地址和端口，由系统分派
●不绑定IP地址和端标语的一方必须一方面向绑定地址的一方发送数据
●无连接的应用程序也可以调用connect()函数，但是它并不向对方发出建立连接