最近因為工作需要，在Linux下需要讓多個UDP socket使用同一個port。本文將透過實驗來觀察多個UDP socket使用同一個port時會發生什麼事。
本文的程式原始碼可在以下網址取得
https://github.com/huangtw/UDPReuseAddrTest
SO_REUSEADDR
在Linux下如果多個socket要bind同一個port，可以用setsocket設定SO_REUSERADDR來達成，而在TCP socket與UDP socket上各有不同的效果。
TCP
在尚未設定SO_REUSERADDR的情況下，當一個TCP socket bind了0.0.0.0:PortA後，則其他Tsocket將無法在bind PortA，因為0.0.0.0代表任何一個interface的IP，因此socket不管綁定哪個IP的PortA都會造成衝突。
此時如果一個socket設定了SO_REUSERADDR，則可以成功bind指定IP的PortA，但是還是不能bind 0.0.0.0:PortA，也就是說在設定了SO_REUSERADDR之後，只有IP一模一樣才會視為衝突，0.0.0.0與特定IP不再視為衝突。
不過有一個例外，當一個TCP socket bind了0.0.0.0:PortA，並且開始listen之後，此時其他TCP socket即使設定了SO_REUSERADDR也無法bind PortA，就算指定特定的IP也一樣。
除了共用port之外，另外一個常見使用情境是，當一個bind了某個port的TCP socket close之後，其他socket並無法馬上bind同一個port，因為TCP socket還處於TIME_WAIE的狀態，尚未真的關掉。此時新的socket如果設定SO_REUSERADDR，則可以成功bind同一個port。
UDP
在UDP與TCP不太一樣，只要每個UDP socket都有設定SO_REUSERADDR，則可以綁定一模一樣的IP跟port。在boardcast或者multicast模式下，如果多個UDP綁定同一個IP與port，當有UDP封包送到該IP:port時，每一個socket都會收到一份相同的封包。
如果是unicast呢？網路上似乎很少提到這個狀況，因此我做了一個實驗來確定這件事。
實驗
本實驗需要兩個程式，一邊為傳送端(udp_send)，一邊為接收端(udp_receive)，傳送端每隔固定時間會從IP_A:Port_A向IP_B:Port_B發送UDP封包，而接收端會產生多個UDP socket bind同時bind IP_B:Port_B，觀察哪一個socket能收到封包。
除此之外，接收端的部分UDP socket為connected(指定destination為IP_A:Port_A，只會收到來自IP_A:Port_A的封包，封包也只能傳送給IP_A:Port_A)，來看這種情況下一般UDP socket與connected UDP socket的差異。
udp_send.c#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd;
int localPort, peerPort;
char *peerIP;
struct sockaddr_in local_addr, peer_addr;
char buffer[1024];
if (4 != argc)
{
exit(1);
}
localPort = atoi(argv[1]);
peerIP = argv[2];
peerPort = atoi(argv[3]);
if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
{
printf("socket open failed!\n");
exit(1);
}
bzero((char *) &local_addr, sizeof(local_addr));
local_addr.sin_family = AF_INET;
local_addr.sin_addr.s_addr = ntohl(INADDR_ANY);
local_addr.sin_port = htons(localPort);
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0)
{
printf("bind failed\n");
}
bzero((char *) &peer_addr, sizeof(peer_addr));
peer_addr.sin_family = AF_INET;
peer_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(peerIP);
peer_addr.sin_port = htons(peerPort);
if (connect(fd , (struct sockaddr *)&peer_addr , sizeof(peer_addr)) < 0)
{
printf("udp connect failed!\n");
exit(1);
}
int i = 0;
while(1)
{
int size,ss;
int ssize = 0;
size = sprintf(buffer, "%d\n", i++);
sleep(2);
while (ssize < size)
{
if ((ss = send(fd, buffer + ssize, size - ssize, 0)) < 0)
{
//cout << "send error" << endl;
printf("send error\n");
exit(1);
}
ssize += ss;
}
}
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int createSocket(int port)
{
int fd;
struct sockaddr_in local_addr;
if ((fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
printf("socket open failed!\n");
exit(1);
}
int sock_opt = 1;
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void*)&sock_opt, sizeof(sock_opt)) < 0) {
printf("setsockopt failed!\n");
exit(1);
}
bzero((char *) &local_addr, sizeof(local_addr));
local_addr.sin_family = AF_INET;
local_addr.sin_addr.s_addr = ntohl(INADDR_ANY);
local_addr.sin_port = htons(port);
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0)
{
printf("bind failed\n");
}
return fd;
}
void* worker(void* pfd)
{
int fd = *(int*)pfd;
char buffer[1024];
while (1)
{
if (recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0) < 0)
{
printf("udp recv failed!\n");
exit(1);
}
printf("socket %d received: %s\n", fd, buffer);
//cout << "socket " << fd << " received:" << buffer << endl;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int *pfd, localPort, peerPort;
char *peerIP;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in local_addr, peer_addr;
if (4 != argc)
{
exit(1);
}
localPort = atoi(argv[1]);
peerIP = argv[2];
peerPort = atoi(argv[3]);
int i = 0;
while (1)
{
pfd = malloc(sizeof(int));
*pfd = createSocket(localPort);
printf("socket %d opened\n", *pfd);
if ((i >= 3) && (i < 6))
{
bzero((char *) &peer_addr, sizeof(peer_addr));
peer_addr.sin_family = AF_INET;
peer_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(peerIP);
peer_addr.sin_port = htons(peerPort);
if (connect(*pfd , (struct sockaddr *)&peer_addr , sizeof(peer_addr)) < 0)
{
printf("udp connect failed!\n");
exit(1);
}
}
pthread_t workerThread;
pthread_create(&workerThread, NULL, worker, pfd);
pthread_detach(workerThread);
getchar();
i++;
}
return 0;
}
在udp_receive中，每按一次按鍵，就會產生bind同一組IP與port的socket，而第4~6個socket還會connect到傳送端的IP跟port，引此能比較出一般UDP socket與connetec UDP的差別
- 執行結果
上圖為接收端的執行畫面，接收端的UDP socket會bind 127.0.0.1:5555，傳送端則綁定127.0.0.1:6666。
可以看到前六個socket依序產生的過程中，只有最後一個bind的socket才會收到封包，但是第七個socket(socket 9)，最後產生
卻收不到封包，仍然是第六個socket(socket 8)收到封包。
從這個結果可以知道，如果多個socket綁定同樣的IP跟port，connect到封包來源IP:port的connected UDP socket可以優先接收，如果有多個socket滿足這個條件，則最晚bind的connected UDP socket可以收到封包。如果沒有connected UDP socket，則最晚bind的一般UDP socket可以收到封包。
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