一、端口号

端口号port标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序。

0 ~ 1023：系统端口号，HTTP、FTP、SSH等这些广为使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的系统端口号（知名端口号）
1024 ~ 65535：操作系统动态分配的端口号，客户端程序的端口号，可有操作系统分配或程序员分配（普通端口号）

知名端口号（Well-Know Port Number）：

ftp服务器：21
ssh服务器：22
telnet服务器：23
http服务器：80
https服务器：443

查看知名端口号：cat /etc/services

netstat：一个用来查看网络状态的重要工具

语法：netstat -[选项]

n：拒绝显示别名，能显示数字的全部显示数字
l：仅列出有在 listen 状态的服务状态
p：显示建立相关连接的程序名
t：仅显示tcp相关选项
u：仅显示udp相关选项
a：显示所有选项，默认不显示 listen 相关

pidof：查看服务器的进程id（通过进程名查看进程id）

语法：pidof [进程名]

端口号 -----> 进程（唯一关系）

一个端口号是否可以被多个进程bind？不可以，端口号指向进程必须唯一
一个进程是否可以绑定多个端口号？可以，进程指向端口号不一定唯一

二、UDP报头格式

16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度（64K）
如果检验和出错，数据直接丢弃
定长报头，报头的本质是结构化数据

三、UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信：

无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接
不可靠：没有确认机制，没有重传机制，如果因为网络故障导致数据段无法发送，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息
面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并，不能够灵活的控制读写数据的次数和数量

UDP的缓冲区：

UDP没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，由内核将数据报传给网络层协议进行后续的传输处理
UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文的顺序和发送UDP报文的顺序一致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃

UDP的socket既能读，也能写，这就是全双工概念。

基于UDP的常用应用层协议：

NFS：网络文件系统
TFTP：简单的文件传输协议
DHCP：动态主机配置协议
BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
DNS：域名解析协议

UDP协议的应用场景多为视频网站、直播平台等不担心数据包丢失的情况。

四、UDP协议实现网络聊天群

设计思路：

服务器与客户端通过udp协议通信，即server和client都需要创建自己的socket套接字
server创建完socket套接字之后，需要将server自身的ip和port和套接字bind绑定，client的套接字不需要显式bind绑定（由OS自动绑定）
server先运行，通过recvfrom()向数据的接收缓冲区循环读取数据
client在运行的时候指定server的ip和port，通过sendto()向服务器的接收缓冲区发送数据
User.h头文件，进行在线用户管理，通过ip和port形成用户信息结构体，可以进行在线用户的添加、删除、判断，并且在server接收到数据的时候，进行广播（对所有在线用户发送刚刚接收到的数据）
所有在线用户信息通过一个静态全局变量的哈希表管理，key值是ip-port组成的字符串
client在运行的时候就会进行一次线程分离，分离出去的线程循环读取并打印client自身的接收缓冲区内的数据（来自广播的数据）

设计效果：当多个client连接server之后，只要是online登录了的用户，都可以向server发送数据的同时看到自己和其他登录用户发送的数据，这就是网络聊天群

User.h

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unordered_map>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>class User
{
public:User(const std::string& ip, const uint16_t& port): _ip(ip), _port(port){}std::string ip(){return _ip;}uint16_t port(){return _port;}private:std::string _ip;uint16_t _port;
};class OnlineUser
{
public:OnlineUser(){}void AddUser(const std::string& ip, const uint16_t& port){std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);_users.insert(std::make_pair(id, User(ip, port)));}void DelUser(const std::string& ip, const uint16_t& port){std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);_users.erase(id);}bool IsOnline(const std::string& ip, const uint16_t& port){std::string id = ip + "-" + std::to_string(port);return _users.find(id) != _users.end();}void BroadcastMessage(int sockfd, const std::string& message, const std::string& ip, const uint16_t& port){for (auto& user : _users){struct sockaddr_in client;client.sin_family = AF_INET;client.sin_addr.s_addr = inet_addr(user.second.ip().c_str());client.sin_port = htons(user.second.port());std::string s = "[" + ip + "-" + std::to_string(port) + "]" + "# " + message;sendto(sockfd, s.c_str(), s.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));}}private:std::unordered_map<std::string, User> _users;
};

server.cpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <memory>#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "User.h"using namespace std;typedef function<void(int, string, uint16_t, string)> func_t;
static string defaultIP = "0.0.0.0";class UdpServer
{
public:UdpServer(const func_t& func, const uint16_t& port, const string& ip = defaultIP): _cb(func), _port(port), _ip(ip){}void Init(){// 1. 创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){cerr << "socket error: " << errno << strerror(errno) << endl;exit(errno);}// 2. 绑定 ip:portstruct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    // Address to accept any incomit message -------> 任意地址绑定// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());     // string ---> uint32_t ---> htonllocal.sin_port = htons(_port);int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));if (n < 0){cerr << "bind error: " << errno << strerror(errno) << endl;exit(errno);}}void Start(){char buf[1024];while (true){struct sockaddr_in peer;socklen_t peer_len = sizeof(peer);ssize_t n = recvfrom(_sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &peer_len);if (n > 0){buf[n] = 0;string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);     // 网络序列 ---> 整型 ---> 点分十进制uint16_t client_port = ntohs(peer.sin_port);   string message = buf;cout << client_ip << "[" << client_port << "]# " << message << endl;_cb(_sockfd, client_ip, client_port, message);}}}private:string _ip;uint16_t _port;int _sockfd;func_t _cb;
};// 聊天群在线用户，静态全局变量
static OnlineUser g_online_users;// 处理message，server与业务逻辑解耦
void RouteMessage(int sockfd, string client_ip, uint16_t client_port, string message)
{if (message == "online")g_online_users.AddUser(client_ip, client_port);if (message == "offline")g_online_users.DelUser(client_ip, client_port);if (g_online_users.IsOnline(client_ip, client_port)){g_online_users.BroadcastMessage(sockfd, message, client_ip, client_port);}else{struct sockaddr_in client;bzero(&client, sizeof(client));client.sin_family = AF_INET;client.sin_addr.s_addr = inet_addr(client_ip.c_str());client.sin_port = htons(client_port);string response = "你还没有登录，请输入online登录加入聊天群";sendto(sockfd, response.c_str(), response.size(), 0, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));}
}void Usage()
{cout << "Usage: \n\t" << "server port" << endl;exit(1);
}int main(int args, char* argv[])
{if (args != 2)Usage();uint16_t port = atoi(argv[1]);unique_ptr<UdpServer> udp_server(new UdpServer(RouteMessage, port));udp_server->Init();udp_server->Start();return 0;
}

client.cpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <functional>
#include <pthread.h>
#include <memory>#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "User.h"using namespace std;class UdpClient
{
public:UdpClient(const string& server_ip, const uint16_t& server_port): _server_ip(server_ip), _server_port(server_port), _sockfd(-1), _quit(false){}void Init(){// 1. 创建套接字_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);assert(_sockfd != -1);cout << "socket seccess: " << _sockfd << endl;// 2. 绑定bind，不需要显示绑定，由os分配}static void* ReadMessage(void* args){int sockfd = *(static_cast<int*>(args));pthread_detach(pthread_self());     // 线程分离while (true){char buf[1024];struct sockaddr_in tmp;socklen_t tmp_len = sizeof(tmp);ssize_t n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&tmp, &tmp_len);if (n >= 0)buf[n] = 0;cout << "\r" << buf << "\n";}return nullptr;}void Run(){pthread_create(&_reader, nullptr, ReadMessage, (void*)&_sockfd);struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());server.sin_port = htons(_server_port);string message;while (!_quit){fprintf(stderr, "Enter:# ");fflush(stderr);getline(cin, message);message[message.size()] = 0;sendto(_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));usleep(100);}}private:string _server_ip;uint16_t _server_port;int _sockfd;bool _quit;pthread_t _reader;
};void Usage()
{cout << "Usage: \n\t" << "client ip port" << endl;
}int main(int args, char* argv[])
{if (args != 3)Usage();string server_ip = argv[1];uint16_t server_port = atoi(argv[2]);unique_ptr<UdpClient> udp_client(new UdpClient(server_ip, server_port));udp_client->Init();udp_client->Run();return 0;
}

运行效果：