UDP 網路程式設計 - 使用 C#

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簡介

UDP 是網路程式設計當中,最簡單的一種模式。本文將介紹如何使用 C# 撰寫 UDP 的『傳送-接收程式』。

UDP 程式的架構

使用 UDP 方式傳送訊息,由於封包是以一個一個的方式分別傳輸,先傳送者不一定會先到,甚至於沒有到達也不進行處理。由於這種方式不是連線導向的方式,因此不需要記住連線的 Socket,只要直接用 Socket 當中的 ReceiveFrom(data, ref Remote) 函數即可。

UDP 的程式必須有『傳送-接收』兩端,通常傳送端稱為 Client,接收端稱為 Server,以下是一個 UDP Client-Server 的 C# 程式架構。

客戶端:傳送訊息的 Client

IPEndPoint ip = new IPEndPoint(address, port);
Socket server = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
....
while(true) {
     ...
     server.SendTo(data, ip);
}
...
server.Close();

伺服端:接收訊息的 Server

ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, port);
socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
socket.Bind(ipep);
...
while(true) {
  byte[] data = new byte[size];
  int recv = socket.ReceiveFrom(data, ref Remote);
  ...
}

為了說明 UDP 網路程式的設計方式,我們設計了一個單向的 UDP 聊天程式專案,這個專案包含 UdpClient.cs 與 UdpServer.cs 等兩個 C# 的程式。使用者可以在 UdpClient 當中輸入要傳送給 UdpServer 的訊息,而程式會忠實的將訊息從 Client 傳送到 Server 中。當使用者輸入 exit 的時候,Client 程式將會結束,以下是該程式執行時的畫面。

CSharpUdpScreen.jpg

圖一、單向的 UDP 聊天專案的執行畫面

原始程式碼

以下是一個 UDP 客戶端 UdpClient,該客戶端會接受使用者的輸入,然後將訊息傳遞給伺服端的 UdpServer。

檔案:UdpClient.cs

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

public class UdpClient
{
    public static void Main(string[] args)    // 主程式開始
    {
        // 連接到 args[0] 參數所指定的 Server,使用連接埠 5555
        IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IPAddress.Parse(args[0]), 5555);
        // 建立 Socket,連接到 Internet (InterNetwork),使用 Udp 協定的 Datagram 方式 (Dgram)。
        Socket server = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
        while(true)     // 不斷讀取鍵盤輸入,並傳送輸入訊息給伺服器。
        {
            string input = Console.ReadLine();    // 讀取鍵盤輸入
            if (input == "exit")    // 如果輸入為 exit,則強制離開程式。
                break;
            server.SendTo(Encoding.UTF8.GetBytes(input), ipep);    // 將訊息以 UTF8 的方式編碼後傳出。
        }
        Console.WriteLine("Stopping client");    // 印出 Stopping client 訊息。
        server.Close();    // 關閉連線。
    }
}

以下是一個 Udp 的伺服端,利用無窮迴圈接收上述客戶端傳來的訊息,然後列印在螢幕上。

檔案:UdpServer.cs

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

public class UdpServer
{
    public static void Main()
    {
        // 開啟伺服器的 5555 連接埠,用來接收任何傳送到本機的訊息。
        IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 5555);
        // 建立接收的 Socket,並使用 Udp 的 Datagram 方式接收。
        Socket newsock = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
        // 綁定 Socket (newsock) 與 IPEndPoint (ipep),讓 Socket 接收 5555 埠的訊息。
        newsock.Bind(ipep);
        Console.WriteLine("Waiting for a client..."); // 顯示 Waiting for client ...。
        // 建立 Remote 物件以便取得封包的接收來源的 EndPoint 物件。
        IPEndPoint sender = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0); 
        EndPoint Remote = (EndPoint)(sender);
        while(true) // 無窮迴圈,不斷接收訊息並顯示到螢幕上。
        {
            byte[] data = new byte[1024]; // 設定接收緩衝區的陣列變數。
            int recv = newsock.ReceiveFrom(data, ref Remote); // 接收對方傳來的封包。
            // 將該封包以 UTF8 的格式解碼為字串,並顯示到螢幕上。
            Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(data, 0, recv)); 
        }
    }
}

程式說明

在上述程式當中,讀者會看到兩個無窮迴圈,這在網路程式設計領域是很常見的。Server 通常是一個由無窮迴圈所構成的程式,該程式不斷的接收由 Client 所傳來的訊息,然後進行處理與顯示。

程式中的 IPEndPoint 所代表的就是 TCP/IP 協定中的 IP 層,也就是網址。建構函數 new IPEndPoint(address, port) 有兩個參數,第一個是 IP 地址 (address),第二個是連接埠 (port)。這個物件在撰寫 Client 與 Server 時都會用到。

在 UdpClient 的程式中,我們直接利用下列程式連接到 Server,您可以使用

IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IPAddress.Parse(args[0]), 5555);

UdpServer 程式中的 new IPEndPoint(IPAddress.Any, 5555) 會開啟該伺服器電腦的 5555 這個連接埠 (port),讓其他程式可以透過網路傳送訊息給該程式。一但某程式開啟了特定連接埠,就會霸佔該連接埠。作業系統不會允許其他程式再度開啟這個連接埠,因為該連接埠已經被用掉了。

讀者可能會對其中的 IPAddress.Any 的用意感到納悶,為何不是指定本機的 IP,而是用 IPAddress.Any 呢?

參考文獻

  1. MSDN/.NET Framework 類別庫/Socket 類別
  2. Socket.ReceiveFrom 方法

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