Elementary UDP Sockets
1. Introduction
UDP作为一种无连接, 不可靠的datagram protocol, 与面向连接, 可靠的byte stream相比, 其network application实现上有很大不同. 在UDP client/server架构中, 由于client不需要建立连接, 可直接调用sendto()
发送数据; server也不需要accept connection, 只需要调用recvfrom()
接收数据即可, 如下图:
2. recvfrom and sendto Functions
/** |
对于UDP server, 由于无需调用accept()
, 所以只能通过recvfrom()
中的src_addr
参数得知client端IP address; 对于UDP client, 由于无需调用connect()
, 所以需要在sendto()
中通过dest_addr
指明server端IP address.
UDP允许发送的datagram长度为0, 也可以接收datagram长度为0的packet. recvfrom()
返回0并不意味着断开connection, 因为UDP不存在connection的概念.
3. UDP Echo Server
int main(int argc, char **argv) |
上述UDP server十分简洁, 但这其中也存在问题:
- 由于UDP是connectionless protocol, 所以不存在EOF, 导致UDP server无法终止
- 该UDP server为iterative server, 不是concurrent server. 通常来说, TCO server为concurrent, UDP server为iterative
- UDP socket读取数据时, 需要从receive buffer中读入到进程中, 遵循FIFO的顺序. 每个socket receive buffer都有上限值, 传入流量过大会导致数据丢失
4. UDP Echo Client
int main(int argc, char **argv) |
UDP client调用sendto()
时, kernel会自动分配一个临时port. 因此与TCP相同, UDP client不需要调用bind()
. 若recvfrom()
的src_addr
和addrlen
为NULL, 说明接收端并不需要知道对端的IP address.
5. Lost Datagrams
上述UDP client/server并不可靠. 当client的datagram在传输过程中丢失后, client将被阻塞在recvfrom()
; 当server回复的datagram在传输过程中丢失后, client也会被阻塞在recvfrom()
. 其中一种解决方案: 为recvfrom()
设置倒计时.
仅仅在recvfrom()
中添加倒计时器还不足以解决问题, 因为当倒计时结束后, client无法分辨数据丢失是因为datagram没有传给server, 还是server端回复丢失.
6. Verify Received Response
由于只要知道client的port number就可以向client发送数据, 因为client所接收的数据可能来自不同的server. 这时就需要从recvfrom()
中获取对端IP address和port, 从而判断数据是否来自指定server. 以下是修改后的client端:
void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, socklen_t servlen) |
但上述方法存在一个问题: 当server并没有绑定某个IP address时, kernel会为server选择一个IP address. 当server存在多个outgoing interfaces时, 也就拥有多个IP address of the interfaces. 当server使用nonprimary IP address时, 会导致发送的数据被client忽略.
其中一个解决方案为: client不对IP address进行甄别, 而通过domain name判断数据是否来自指定server, 这就需要DNS的帮助. 另一种方法为: server为每个IP address分配一个socket, 并各自调用bind()
绑定一个IP address, 使用select()
监听所有socket.
7. Server Not Running
当server并未运行, 但client依然发送数据时, client会被一直阻塞在recvfrom()
. 当client发送数据后, 会收到ICM port unreachable, 但该ICMP error不会被client process返回, 因此client会一直阻塞在recvfrom()
.
上述ICMP error称为asynchronous error, 由sendto()
产生. sendto()
成功返回只说明socket send buffer有足够空间放置数据, 只有在UDP socket调用connect()
建立连接后, asynchronous error才会返回到UDP socket.
假设UDP client向三个不同的server发送数据, client使用loop调用recvfrom()
来获取server回复; 前两个server成功回复client, 第三个主机上server没有运行, 回复ICMP port unreachable error message. 这时client需要知道datagram的destination IP address和destination UDP port, 但recvfrom()
只返回errno, 只有UDP socket调用connect()
绑定IP asynchronous error并获取额外信息. 对于Linux, 即使是unconnected socket, 也可以收到ICMP destination unreachable error, 前提是未设置SO_BSDCOMPAT socket option.
8. Summary of UDP Example
client必须在sendto()
中指定server的IP address和port number, 但一般不指定自己的IP address和port number, 会在client第一次调用sendto()
时由kernel自动分配. client的临时port number不会改变, 但IP address会改变: 当client所在的主机多有个IP address时, 会由于出接口不同而导致IP address不同; 当client绑定一个IP address, 但kernel发送的出接口使用其他IP address时, datagram中的source IP address还是会修改为绑定的IP address.
server可能需要获得四种数据: source IP address, destination IP address, source port number, destination port number. 以下是TCP server和UDP server所需调用的函数:
From client's IP datagram | TCP server | UDP server |
---|---|---|
Source IP address | accept | recvfrom |
Source port number | accept | recvfrom |
Destination IP address | getsockname | recvmsg |
Destination port number | getsockname | getsockname |
TCP server可以轻松地获取socket任何信息, 但UDP server需要设置IP_RECVDSTADDR
socket option(IPv4)或IPV6_PKTINFO socket option(IPv6), 并通过recvmsg()
获取destination IP address. 由于UDP是无连接的, 所以每个接收到的datagram的destination IP address都可能不同.
9. connect Function with UDP
当UDP socket调用connect()
时, 并不会像TCP connection一样进行three-way handshake. kernel保留foreign IP address和foreign port number, 返回所有connection error(例如: unreachable destination), 并且. 相对于unconnected UDP socket, connected UDP socket有以下几点不同:
- connected UDP socket无法指定destination IP address和port, 一切发出的datagram都会使用
connect()
指定的IP address和port. 因此使用write()
或send()
发送数据, 而不是sendto()
- connected UDP socket不再调用
recvfrom()
接收数据, 而使用read()
,recv()
或recvmsg()
, 且kernel只会为connected UDP socket返回特定datagram(datagram中的source IP address和port与connect()
中一致) - connected UDP socket返回asynchronous error
以下是TCP和UDP socket对于不同发送和接收函数的处理:
Type of socket | write or send | sendto that doesn't specify a destination | sendto that specifies a destination |
---|---|---|---|
TCP socket | OK | OK | EISCONN |
connected UDP socket | OK | OK | EISCONN |
unconnected TCP socket | EDESTADDRREQ | EDESTADDRREQ | OK |
以下是connected UDP socket流程图:
当kernel发现接收到的datagram中source IP address或port与connect()
中指定的IP address或port不符时, 会将该datagram传给其他UDP socket; 若没有UDP socket匹配该datagram, 则产生ICMP port unreachable error. 当UDP socket使用connect()
后, 就只能与指定对端通信; 但connected UDP socket可再次调用connect()
与另一个对端建立连接, 原因如下:
- 需要指定其他IP address和port
- 与指定对端断开连接
与UDP socket不同, 每个TCP socket只能调用一次connect()
. 对于unconnected UDP socket, 将connect()
中socket address structure的family member设置为AF_UNSPEC, 可能返回EAFNOSUPPORT error; 但对于connected UDP socket, 设置AF_UNSPEC意味着该socket断开连接.
对于Berkeley-derived kernel, 当进程对unconnected UDP socket调用sendto()
时, kernel会先connect socket(指定foreign IP address和foreign port number, 其中包括检查struct sockadd_in参数, 处理特殊IP address, 决定outgoing interface), 发送datagram, 最后unconnect socket(将foreign IP address和foreign port number置零). 若unconnected UDP socket调用sendto()
发送两个datagram, 步骤如下:
- Connect the socket
- Output the first datagram
- Unconnect the socket
- Connect the socket
- Output the second datagram
- Unconnect the socket
第一次调用sendto()
会在routing table中查找并保存destination IP address对应的outgoing interface; 第二次调用sendto()
则跳过查找步骤, 直接从cached routing table information中找到destination IP address对应的outgoing interface.
当socket调用connect()
后再调用write()
发送两个datagram时, 步骤如下:
- Connect the socket
- Output first datagram
- Output second datagram
可以看到, kernel只copy了一次foreign IP address和foreign port number. 当socket需要向特定IP address发送多个数据时, 可调用connect()
提高发送效率.
10. dg_cli Function (Revisited)
void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const SA *pservaddr, |
当修改后的client端向没有运行server程序的主机发送数据时, recvline()
会捕获ICMP error. 但与TCP client不同, UDP client只有在发送第一个数据后才能接收到ICMP error, 而TCP client在调用connect()
时就收到error. 大部分kernel都支持connected UDP socket返回ICMP error, 只要少数kernel不支持该特性.
11. Lack of Flow Control with UDP
假设UDP client向server发送2000个datagram, 每个datagram为1400 bytes, 以下是client端:
|
以下是server端:
static void recvfrom_int(int); |
运行client/server后发现, 只有30个datagram被server调用recvfrom()
接收, 剩下的datagram都因为socket receive buffer空间不足而丢弃. 为提高接受率, 可选择扩大socket receive buffer容量:
static void recvfrom_int(int); |
再次运行client/server后, 成功接收的datagram数量上升至103, 虽然并没有全部接收, 但已经比之前情况好一些. 根据不同的kernel, socket receive buffer上限也不同.
12. Determine Outgoing Interface with UDP
connected UDP socket在传输期间会锁定一个outgoing interface, 因为UDP socket调用connect()
后, kernel会为该socket分配一个local IP address, 该IP address根据destination IP address和routing table决定, 并使用outgoing interface上的primary IP address.
UDP socket调用connect()
后可使用getsockname()
获取local IP address和port number:
int main(int argc, char **argv) |
但并不是所有kernel都支持该特性.
13. TCP and UDP Echo Server Using select
以下代码使用select同时监听UDP socket和TCP socket:
int main(int argc, char **argv) |