前言

工作中遇到各种各样的网络通信。有MQTT和CoAP这样的物联网应用层协议，也有各种自定义的TCP或UDP协议。使用各种不同的计算机语言和框架开发网络通信，例如Java的Netty框架，C语言原始socket，Python Socket。各有各的使用场景，难易程度相差巨大。Netty上手困难，C语言编写复杂，Python Socket上手容易。
本文将介绍如何使用select套接字实现一个UDP服务器。相较于其他手段，C语言的Socket套接字使用难度较大，但是对于嵌入式开发来说，C语言的Socket是基本功。

示例简述

• 通过recvfrom和sendto实现一个UDP Echo服务器
• 使用Python脚本实现一个UDP客户端，验证UDP服务器是否运行正确
• 开发环境 Linux，构建工具CMake，编译器Linux GCC

UDP服务器

udp-server.c

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <time.h>

#define BUF_SIZE 500

/*
编译 gcc udp-server.c -o udp-server
运行 ./udp-server 50018
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
    struct addrinfo hints;
    struct addrinfo *result, *rp;
    int sfd = -1, s;
    struct sockaddr_storage peer_addr;
    socklen_t peer_addr_len;
    ssize_t num_read;

    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: %s port\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
    hints.ai_family = AF_UNSPEC;    /* 允许IPv4 或者 IPv6 */
    hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM; /* UDP */
    hints.ai_flags = AI_PASSIVE;
    hints.ai_protocol = 0;
    hints.ai_canonname = NULL;
    hints.ai_addr = NULL;
    hints.ai_next = NULL;

    s = getaddrinfo(NULL, argv[1], &hints, &result);
    if (s != 0) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(s));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next) {
        sfd = socket(rp->ai_family, rp->ai_socktype,
                     rp->ai_protocol);
        if (sfd == -1)
            continue;

        if (bind(sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen) == 0)
            break;

        close(sfd);
    }

    if (rp == NULL) {
        fprintf(stderr, "Could not bind\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    freeaddrinfo(result);

    for (;;) {
        peer_addr_len = sizeof(struct sockaddr_storage);
        num_read = recvfrom(sfd, buf, BUF_SIZE, 0,
                         (struct sockaddr *)&peer_addr, &peer_addr_len);
        buf[num_read] = '\0';

        if (num_read == -1)
            continue;

        char host[NI_MAXHOST], service[NI_MAXSERV];
        s = getnameinfo((struct sockaddr *)&peer_addr,
                        peer_addr_len, host, NI_MAXHOST,
                        service, NI_MAXSERV, NI_NUMERICSERV);
        if (s == 0) {
            printf("receive %zd bytes: \"%s\" from %s:%s\n", num_read, buf, host, service);
        } else {
            fprintf(stderr, "getnameinfo: %s\n", gai_strerror(s));
        }

        sendto(sfd, buf, (size_t)num_read, 0,
               (struct sockaddr *) &peer_addr, peer_addr_len);
    }
}

CMake构建

CMakeLists.txt内容如下:

cmake_minimum_required(VERSION 3.13)
set(CMAKE_C_STANDARD 99)
add_executable(udp-server udp-server.c)

编译过程

mkdir -p build
cd build
cmake ..
make
# 最终生成可执行文件udp-server

UDP客户端验证脚本

udp-client.py内容如下

import socket
import binascii

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 50018
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

request = bytearray([0x31, 0x32, 0x33, 0x34])
s.sendto(request, (HOST, PORT))
response, server_address = s.recvfrom(1024)
print('received', binascii.hexlify(response), "from", server_address)

测试

先运行UDP服务器

# 可执行文件
cd build
./udp-server 50018
# 运行python脚本后控制台输出
receive 4 bytes: "1234" from localhost:33937
receive 4 bytes: "1234" from localhost:58370

再运行python脚本

python3 udp-client.py
# 控制台输出
received b'31323334' from ('127.0.0.1', 50018)

参考资料与代码仓库

【本文代码仓库 c-socket-demo】

• 物联网图书推荐 CoAP基础 徐凯《IoT开发实战: CoAP卷》 2017 机械工业出版社【 京东链接】
• 物联网图书推荐 CoAPs进阶 徐凯 崔红鹏《密码技术与物联网安全:mbedtls开发实战》2019 机械工业出版社 【京东链接】