by 閑歡

前面我們講了 TCP 編程，我們知道 TCP 可以建立可靠連接，并且通信雙方都可以以流的形式發送數據。本文我們再來介紹另一個常用的協議--UDP。相對TCP，UDP則是面向無連接的協議。

UDP 協議

我們來看 UDP 的定義：

UDP 協議（User Datagram Protocol），中文名是用戶數據報協議，是 OSI（Open System Interconnection，開放式系統互聯） 參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。

從這個定義中，我們可以總結出 UDP 的幾個特點以及其與 TCP 的區別：

• UDP 是用戶數據報協議，傳輸模式是數據報，而 TCP 是基于字節流的傳輸協議。
• UDP 是無連接的協議，每個數據報都是一個獨立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在網絡上以任何可能的路徑傳往目的地，因此能否到達目的地，到達目的地的時間以及內容的正確性都是不能被保證的。
• UDP 是簡單不可靠的協議，它不提供可靠性，只是把數據包發送出去，并不保證能夠到達目的地。由于它不需要在客戶端和服務端之間建立連接，也沒有超時重發機制，所以傳輸速度很快。

從以上特點，我們可以看到 UDP 適合應用在每次傳輸數據量小、對數據完整性要求不高、對傳輸速度要求高的領域。這里面最典型的就是即時通信的場景，微信是一個很常見的例子。相信大家在使用微信的時候都遇到過先發的消息后收到，或者有些發送的消息對方沒有收到的情況吧，這就是 UDP 協議典型的特點，不保證傳輸數據的完整性和順序性。除此之外， UDP 還應用在在線視頻、網絡電話等場景。

UDP 傳輸過程

我們在講 TCP 的時候，我們說 TCP 客戶端和服務端必須先連接才可以傳輸數據：客戶端先請求連接服務器，服務器接受連接請求，然后雙方才可以通信。在 UDP 協議里，客戶端只需要知道服務器的地址和端口號，就可以直接發送數據了。

我們來看下 UDP 傳輸的流程圖：

TCP服務器的建立可以歸納這幾步：

• 創建 socket（套接字）
• 綁定 socket 的 IP 地址和端口號
• 接收客戶端數據
• 關閉連接

TCP客戶端的創建可總結為這幾步：

• 創建 socket（套接字）
• 向服務器發送數據
• 關閉連接

這里需要注意的是 UDP 客戶端連接到服務器的 IP 和端口號必須是 UDP 服務器的 IP 和監聽的端口號，服務器服務器只需要綁定 IP 和端口號，就可以時刻準備接收客戶端發送的數據，此時服務器處于阻塞狀態，直到接收到數據為止。

UDP 客戶端

創建 socket，可以這樣做：

# 導入socket庫
import socket

# 創建一個socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

創建 socket 時，第一個參數 socket.AF_INET 表示指定使用 IPv4 協議，如果要使用 IPv6 協議，就指定為 socket.AF_INET6。SOCK_DGRAM 指定基于 UDP 的數據報式 Socket 通信。

創建了 socket 之后，我們就可以向目標地址發送數據報了：

# 發送數據
s.sendto(b'Hello Server', ('127.0.0.1', 6000))

第一個參數是需要發送的數據報內容，第二個參數是 IP 地址和端口號的二元組。

如果是接收數據的話，我們可以這樣寫：

# 接收數據
data, addr = s.recv(1024)
# 解碼接收到的數據
data = data.decode('utf-8')

接收信息的時候，第一個 data 表示接收到的數據， addr 是對方的 IP 地址和端口號的二元組。

想要關閉 socket，直接調用 close() 方法即可：

# 關閉 socket
socket.close()

UDP 服務器

相比于客戶端，服務器端只是多了一個步驟，在創建 socket 之后，需要綁定一個 IP 地址和端口號，以便接收客戶端隨時可能發送過來的數據。綁定的方法為：

# 綁定 IP 和端口
s.bind(('127.0.0.1', 6000))

UDP 簡單實例

我們通過一個簡單的實例來體會下 UDP 的客戶端和服務器的通信流程。

服務器代碼為：

import socket

# 創建 socket
sk = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 綁定 IP 和端口號
sk.bind(('127.0.0.1', 6000))
while True:
    # 接收數據報
    msg, addr = sk.recvfrom(1024)
    # 打印
    print('來自[%s:%s]的消息: %s' % (addr[0], addr[1], msg.decode('utf-8')))

    # 等待輸入
    inp = input('>>>')
    # 發送數據報
    sk.sendto(inp.encode('utf-8'), addr)

# 關閉 socket
sk.close()

這里，我們先創建 socket，然后綁定本機的6000端口，然后等待接收客戶端發送的數據報，接收到數據后將數據內容打印在控制臺。然后可以在控制臺輸入回復內容，發送給客戶端。

客戶端代碼：

import socket

# 創建 socket
sk = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
addr = ('127.0.0.1', 6000)
while True:
    # 等待輸入
    msg = input('>>>')
    # 發送數據報
    sk.sendto(msg.encode('utf-8'), addr)
    # 接收數據報
    msg_recv, addr = sk.recvfrom(1024)
    # 打印
    print(msg_recv.decode('utf-8'))

# 關閉 socket
sk.close()

在客戶端代碼中，我們就只是創建 socket，然后在控制臺輸入需要向服務器發送的內容，通過 sentto() 方法發送給服務器，然后接收服務器返回的內容，將接收的內容打印到控制臺。

分別運行客戶端和服務器代碼，然后我們在客戶端的控制臺輸入 “hello server”，我們可以看到服務器的控制臺打印了客戶端發送的內容，然后我們在服務器控制臺輸入 “hello client”，同樣在客戶端控制臺可以看你到內容。

下面是客戶端的控制臺內容：

>>>hello server
hello client
>>>

下面是服務器的控制臺內容：

來自[127.0.0.1:61207]的消息: hello server
>>>hello client

這個實例其實就是一個簡單的聊天模型，客戶端和服務器就像兩個人一樣可以發送和接收對方的信息。

那么多人群聊怎么實現呢？簡單來說，我們需要設置一臺中心服務器，我們每個人發送的內容都先發送到中心服務器，然后中心服務器再轉發到每個群聊的人。

總結

本文為大家介紹了 UDP 編程的基本原理以及通過 Python 實現一個最簡單的聊天程序來模擬 UDP 通信的過程。通過本文的學習，我們需要對 UDP 協議有基本的認識，以及對 UDP 的通信過程比較熟悉。

參考

https://www.kancloud.cn/smilesb101/python3_x/298888

文中示例代碼：python-100-days

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