0×00前言本文将按照套路，首先介绍传输层的另一个核心协议UDP，然后比较TCP和UDP的特点，最后演示UDP服务端和客户端借助Python脚本终端通信过程。0×01UDP协议UDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）是一种无连接的、不可靠的、基于数据报的传输层通信协议。与TCP相比，UDP的通信过程相对简单，不需要复杂的三次握手和四次挥手，体现无连接；UDP传输速度比TCP快，但容易丢包，数据到达的顺序得不到保证，缺乏拥塞控制，尽力而为原则体现不可靠；UDP的无连接、不可靠的特性注定无法采用字节流通信方式，这可以通过协议名称中的“Datagram”和套接字类型Datagram-based通信方式中的“SOCK_DGRAM”来体现。为了更直观地比较TCP和UDP的异同，笔者整理成下表：0×02NetworkSocket网络套接字（networksocket）是计算机网络中进程间通信的数据流端点，而也代表广义上的操作系统。一种进程间通信机制。进程间通信（IPC）的基本前提是能够唯一标识每个进程。在本地主机的进程间通信中，可以使用PID（进程ID）来唯一标识每个进程，但PID只是本地唯一的，网络中不同主机的PID可能会发生冲突，所以“IP地址+传输层协议+端口号”来唯一标识网络中的一个进程。Tips：网络层的IP地址可以唯一标识主机，传输层的TCP/UDP协议和端口号可以唯一标识主机的一个进程。注意TCP协议和UDP协议在同一台主机上可以使用相同的端口号。所有支持网络通信的编程语言都提供了一套socketAPI。下面以Python3为例，说明一下服务器端和客户端建立UDP通信连接的交互过程：可以看出UDP的通信过程比TCP简单很多，服务器也少。监听和接受连接的过程，客户端也少了请求连接的过程。客户端只需要知道服务器的地址并直接向其发送数据，服务器也敞开大门接收任何发往自己地址的数据。Tips：由于UDP采用的是无连接模式，可见UDP服务器在收到客户端发送的数据之前并不知道客户端的地址，所以客户端必须先发送数据，服务器必须响应数据。但是，TCP不同。TCP服务器接受客户端的连接后，既可以先向客户端发送数据，也可以等待客户端发送数据后再响应。0×03UDP服务器#!/usr/bin/envpython3#-*-coding:utf-8-*-importsockets=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)s.bind(("127.0.0.1",6000))print("UDPboundonport6000...")whileTrue:data,addr=s.recvfrom(1024)print("Receivefrom%s:%s"%addr)ifdata==b"exit":s.sendto(b"Goodbye!\n",addr)continues.sendto(b"Hello%s!\n"%data,addr)第5行：创建socket对象，第一个参数为socket.AF_INET，代表使用IPv4协议对于网络通信，第二个参数是socket.SOCK_DGRAM，表示使用UDP协议进行无连接网络通信。第6行：将服务器主机地址（“127.0.0.1”，6000）绑定到socket对象上，即本地主机的UDP端口6000。第9行：进入与客户端数据交互的循环阶段。第10行：接收客户端发送的数据，包括bytes对象数据，以及客户端的IP地址和端口号addr，其中addr为二元组(host,port)。第11行：打印接收到的信息，表示从地址为addr的客户端接收到数据。第12行：如果bytes对象为b"exit"，则向地址为addr的客户端发送结束响应消息b"Goodbye!\n"。发送后，继续等待其他UDP客户端发送数据。第15行：如果bytes对象不是b"exit"，则向地址为addr的客户端发送问候响应消息b"Hello%s!\n"，其中%s为客户端发送的bytes对象。发送后，继续等待任何一个UDP客户端发送数据。与TCP服务器相比，UDP服务器不需要使用多线程，因为它不需要为每个通信过程创建一个独立的连接，而是采用“接收和发送”的模式，再次体现了UDP的无连接特性.0×04UDP客户端#!/usr/bin/envpython3#-*-coding:utf-8-*-importsockets=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)addr=("127.0.0.1",6000)whileTrue:data=input("Pleaseinputyourname:")ifnotdata:continues.sendto(data.encode(),addr)response,addr=s.recvfrom(1024)print(response.decode())ifdata=="exit":print("Sessionisoverfromtheserver%s:%s\n"%addr)breaks.close()第5行：创建一个socket对象，第一个参数是socket.AF_INET，表示网络通信使用IPv4协议，第二个参数是socket.SOCK_DGRAM，代表使用UDP协议进行无连接网络通信。第6行：初始化UDP服务器的地址（“127.0.0.1”，6000），也就是本机的UDP端口6000。第8行：进入与服务器交换数据的循环阶段。第9行：要求用户输入名称。第10行：当用户输入为空时，循环重新开始，要求用户重新输入。第12行：当用户输入不为空时，将字符串转换为bytes对象，发送给地址为("127.0.0.1",6000)的UDP服务器。第13行：接收服务器的响应数据，包括bytes对象response，以及服务器的IP地址和端口号addr，其中addr为二元组(host,port)。第14行：将响应字节对象response转换为字符串并打印出来。第15行：当用户输入“exit”时，打印sessionend消息，结束与服务器的数据交换循环阶段，即将关闭socket。第19行：关闭套接字，不再向服务器发送数据。0×05UDP进程间通信将UDP服务器和客户端的脚本分别命名为udp_server.py和udp_client.py，然后保存到桌面。笔者将在Windows10系统下使用PowerShell进行演示。Tips：读者复现时，请确保机器上安装了Python3。注意，作者将默认的启动路径名python修改为python3。单服务器VS多客户端在其中一个PowerShell中运行命令python3./udp_server.py，服务器绑定本地主机的UDP端口6000，并打印UDP绑定在端口6000上的信息...，等待客户端发送数据；在另外两个PowerShell中运行命令python3./udp_client.py，将字符串Client1和Client2发送到服务器；服务器打印接收到的信息，表示已经从UDP端口63643和63644接收到数据，并分别向客户端发送问候响应信息；客户端Client1发送空字符串，需要重新输入；客户端Client2首先发送字符串Alice获取服务器的问候响应消息，然后发送字符串exit获取服务器的结束响应消息，最后打印会话结束消息，终止与服务器的数据交互；客户端Client1发送字符串exit，获取服务端的结束响应信息，并打印会话结束信息，终止与服务端的数据交互；服务器根据客户端的上述数据发送顺序打印接收到的信息，并继续等待任何一个UDP客户端发送数据。0×06PythonAPIReferencesocket模块本节介绍上述代码中使用的内置模块socket，它是Python网络编程的核心模块。socket()函数socket()函数用于在网络通信中创建套接字对象。函数原型如下：socket.socket(family=AF_INET,type=SOCK_STREAM,proto=0,fileno=None)family参数表示地址族（AddressFamily），默认值为AF_INET，用于IPv4网络通信，常用AF_INET6，用于IPv6网络通信。family参数的可选值取决于本机操作系统。type参数表示套接字的类型。默认值为SOCK_STREAM，用于TCP协议（面向连接）网络通信，SOCK_DGRAM常用于UDP协议（无连接）网络通信。proto参数代表socket的协议，默认值为0，一般忽略这个参数，除非family参数是AF_CAN，那么proto参数需要设置为CAN_RAW或CAN_BCM。fileno参数表示socket的文件描述符，默认值为None。如果设置了这个参数，其他三个参数将被忽略。socket对象创建后，需要使用对象的内置函数来完成网络通信过程。注意下面函数原型中的“socket”指的是socket对象，不是上面说的socket模块。bind()函数bind()函数用于将IP地址和端口号绑定到套接字对象。注意socket对象一定不能绑定，端口号也不能被占用，否则会报错。函数原型如下：socket.bind(address)address参数表示要绑定到socket的地址，其格式取决于socket的family参数。如果family参数是AF_INET，address参数表示为二元组（host，port），其中host是用字符串表示的主机地址，port是用整数表示的端口号。sendto()函数sendto()函数用于向远程套接字对象发送数据。注意该函数用于UDP进程间的无连接通信，参数中指定了远程套接字的地址，因此使用前无需连接远程套接字。相比之下，TCP进程之间面向连接的通信过程需要使用send()函数。函数原型如下：socket.sendto(bytes[,flags],address)bytes参数表示要发送的bytes对象数据。例如，对于字符串“helloworld!”，需要使用encode()函数将其转换为bytes对象b“helloworld!”。用于网络传输。flags可选参数用于设置sendto()函数的特殊功能，默认值为0，也可以由一个或多个预定义的值组成，以位或运算符|分隔。详见Unix函数手册中的sendto(2)。flags参数常见的取值有MSG_OOB、MSG_EOR、MSG_DONTROUTE等。address参数表示远程socket的地址，其格式取决于socket的family参数。如果family参数是AF_INET，address参数表示为二元组（host，port），其中host是用字符串表示的主机地址，port是用整数表示的端口号。sendto()函数的返回值是发送数据的字节数。recvfrom()函数recvfrom()函数用于从远程套接字对象接收数据。请注意，与sendto()函数不同，recvfrom()函数可用于UDP进程间通信和TCP进程间通信。函数原型如下：socket.recvfrom(bufsize[,flags])其中bufsize参数表示socket可以接收的最大数据字节数。注意，为了更好的匹配硬件设备和网络传输，bufsize参数的值最好设置为2的幂，比如4096。flags可选参数用于设置recv()的特殊函数函数，默认值为0，也可以由一个或多个预定义值组成，以位或运算符|分隔。具体可以参考Unix函数手册中的recvfrom(2)。flags参数常见的取值包括MSG_OOB、MSG_PEEK、MSG_WAITALL等。recvfrom()函数的返回值是一个二元组(bytes,address)，其中bytes是接收到的bytes对象数据，address是发送方的IP地址和端口号，用二元组(host，港口）。请注意，recv()函数的返回值只有字节对象数据。close()函数close()函数用于关闭本地套接字对象并释放连接到该套接字的所有资源。socket.close()0×07总结本文介绍了UDP协议的基础知识，并与TCP协议进行了比较，然后使用Python3实现并演示了UDP服务端与客户端的通信过程。最后，脚本中涉及的PythonAPI完成参考索引，帮助读者理解实现过程。
