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37 - 网络编程-UDP编程

时间:2019-03-10 16:18:30      阅读:217      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:...   描述符   建立连接   tab   break   无法   stop   size   ref   

1 UDP协议

UDP是面向无连接的协议,使用UDP协议时,不需要建立连接,只需要知道对方的IP地址和端口号,就可以直接发数据包。但是,能不能到达就不知道了。虽然用UDP传输数据不可靠,但它的优点是和TCP比,速度快,对于不要求可靠到达的数据,就可以使用UDP协议。

2 UDP通信流程

我们先来了解一下,python的socket的通讯流程:
技术图片

服务端:

  1. 创建Socket对象
  2. 绑定IP地址Address和端口Port,使用bind方法,IPv4地址为一个二元组(‘IP‘,Port),一个UDP端口只能被绑定一次
  3. 接受数据,recvfrom方法,使用缓冲区接受数据
  4. 发送数据,sendto方法,类型为bytes
  5. 关闭连接

客户端:

  1. 创建Socket对象
  2. 连接服务端。connect方法(可选)
  3. 发送数据,sendto/send方法,类型为bytes
  4. 接受数据,recvfrom/recv方法,使用缓冲区接受数据
  5. 关闭连接

我们可以看到UDP不需要维护一个连接,所以比较简单

3 UDP编程

????????使用udp编程和使用tcp编程用于相似的步骤,而因为udp的特性,它的服务端不需要监听端口,并且客户端也不需要事先连接服务端。根据上图,以及建立服务端的流程,我门来捋一下服务端的逻辑到代码的步骤:

3.1 构建服务端

  1. 创建服务端
socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
# socke.AF_INET 指的是使用 IPv4
# socket.SOCK_STREAM 指定使用面向数据报的UDP协议
  1. 绑定IP地址和端口。
socket.bind(('127.0.0.1',999))  
# 小于1024的端口只有管理员才可以指定
  1. 接受数据(阻塞)
data, client_info = sock.recvfrom(1024) 
# 返回一个元组,数据和客户端的地址,因为UDP没有连接,所以只能通过提取消息的发送的源地址,才能在应答时指定对方地址
  1. 发送数据
sock.sendto('data'.encode(),('127.0.0.1',999)) # bytes格式
# 第二个参数为客户端地址
  1. 关闭连接
sock.close()

完成的代码:

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)      # 指定socket的协议,UDP使用的是SOCK_DGRAM
server.bind(('127.0.0.1', 9999))                               # 绑定端口
 
print('UDP Server is Starting...')
data, addr = server.recvfrom(1024)                             # 接受(包含数据以及客户端的地址)
print('Received from {}'.format(addr))
server.sendto('hello,{}'.format(addr).encode('utf-8'), addr)   # 应答,格式为(应答的数据,客户端的IP和Port元组)

为什么要使用recvfrom/sendto?

  1. UDP无连接的特性,当服务端收到一条消息时,不会为它维护一个socket的,那么如何应答呢?
  2. UDP报文中包含对方的IP和Port信息,使用recvfrom,就会返回对方发送的数据和对方的地址
  3. sendto由于没有socket的特性,所以应答时也需要传递client的地址和端口

    3.2 构建客户端

  4. 创建客户端
socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
# socke.AF_INET 指的是使用 IPv4
# socket.SOCK_STREAM 指定使用面向数据报的UDP协议
  1. 添加服务端地址信息(可选)。
socket.connect(('127.0.0.1',999))  
# UDP不会创建连接,所以这里仅仅是在socket上添加了本段/对端的地址而已,并不会发起连接
  1. 接受数据(阻塞)
data, client_info = sock.recv(1024) 
# 返回一个元组,数据和客户端的地址,因为UDP没有连接,所以只能通过提取消息的发送的源地址,才能在应答时指定对方地址
  1. 发送数据
sock.sendto('data'.encode(),('127.0.0.1',999)) # bytes格式
# 第二个参数为客户端地址
  1. 关闭连接
sock.close()

为什么connect是可选的?

  1. 当执行connect时,由于UDP的特性,并不会为我们创建连接,这里仅仅是在socket上添加了对端的地址而已,并不会发起连接
import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
print(client) # <socket.socket fd=140, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0>
client.connect(('127.0.0.1', 9999))
print(client) # <socket.socket fd=140, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 51859), raddr=('127.0.0.1', 9999)>
  1. 如果不执行connect,那么在使用send发生时,就无法知道对端的IP地址,那么只能使用sendto来指定了。
  2. 为什么接收时使用recv,因为是client,只会有server应答消息,所以就不需要来区分了。
  3. 如果指定了connect,sendto已久可以发给任意终端,但recv只能接受connect指定的对端,发来的消息。

完整的代码:

import socket
 
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)            # 指定socket的协议,UDP使用的是SOCK_DGRAM
client.sendto('hello world'.encode('utf-8'), ('127.0.0.1', 9999))    # 发送数据,格式为(发送的数据,服务端的IP和Port元组)
print(client.recv(1024).decode('utf-8'))                             # 同样使用recv来接受服务端的应答数据

UDP的使用与TCP类似,但是不需要建立连接。此外,服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突,也就是说,UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。 

3.3 常用方法

服务器端套接字:

函数 描述
s.bind() 绑定地址(host,port)到套接字, 在AF_INET下,以元组(host,port)的形式表示地址。

客户端套接字:

函数 描述
s.connect() 初始化UDP连接对象的,本段/对端地址。
s.connect_ex() connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共用途的套接字函数:

函数 描述
s.recv() 接收TCP/UDP数据,数据以字符串形式返回,bufsize指定要接收的最大数据量。flag提供有关消息的其他信息,通常可以忽略。
s.send() 发送TCP/UDP数据,将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量,该数量可能小于string的字节大小。
s.recvfrom() 接收UDP数据,与recv()类似,但返回值是(data,address)。其中data是包含接收数据的字符串,address是发送数据的套接字地址。
s.sendto() 发送UDP数据,将数据发送到套接字,address是形式为(ipaddr,port)的元组,指定远程地址。返回值是发送的字节数。
s.close() 关闭套接字
s.fileno() 返回套接字的文件描述符。
s.setblocking(flag) 如果flag为0,则将套接字设为非阻塞模式,否则将套接字设为阻塞模式(默认值)。非阻塞模式下,如果调用recv()没有发现任何数据,或send()调用无法立即发送数据,那么将引起socket.error异常。
s.makefile() 创建一个与该套接字相关连的文件

4 聊天室

下面来模仿上一篇TCP版本的聊天室的结构来创建一个UDP版本的聊天室
服务端:

import socket
import threading
import datetime
import logging

FORMAT = '%(asctime)s %(message)s'
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)


class ChatUDPServer:

    def __init__(self, ip, port):
        self.ip = ip
        self.port = port
        self.event = threading.Event()
        self.clients = {}
        self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    def start(self):
        self.sock.bind((self.ip, self.port))
        threading.Thread(target=self.recv, name='start').start()

    def recv(self):
        while not self.event.is_set():
            # 待清理的列表
            clean = set()

            # 远程主机关闭连接时,这里会触发异常。不知道为啥
            try:
                data, client_addr = self.sock.recvfrom(1024)
            except ConnectionResetError:
                continue

            if data.upper() == 'quit' or data == b'':
                self.clients.pop(client_addr)
                logging.info(client_addr, 'is down')
                continue

            # 心跳包,内容越小越好
            if data.lower() == b'@im@':
                self.clients[client_addr] = datetime.datetime.now().timestamp()
                continue

            logging.info('{}:{} {}'.format(*client_addr, data.decode()))
            self.clients[client_addr] = datetime.datetime.now().timestamp()
            msg = "{}:{} {}".format(*client_addr, data.decode()).encode()
            current = datetime.datetime.now().timestamp()
            for client, date in self.clients.items():
                # 如果10s内没有发送心跳包,则进行清理
                if current - date > 10:
                    clean.add(client)
                else:
                    self.sock.sendto(msg, client)

            # 清理超时连接
            for client in clean:
                self.clients.pop(client)

    def stop(self):
        self.event.set()
        self.sock.close()


if __name__ == '__main__':
    cus = ChatUDPServer('127.0.0.1', 9999)
    cus.start()

    while True:
        cmd = input('>>>>: ').strip()
        if cmd.lower() == 'quit':
            cus.stop()
            break
        else:
            print(threading.enumerate())

客户端:

import socket
import threading
import logging

FORMAT = '%(asctime)s %(message)s'
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)


class ChatUDPClient:

    """
    self.ip: 服务端地址
    self.port:服务端端口
    self.socket:创建一个socket对象,用于socket通信
    self.event:创建一个事件对象,用于控制链接循环
    """

    def __init__(self, ip, port):
        self.ip = ip
        self.port = port
        self.socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
        self.event = threading.Event()

    def connect(self):
        self.socket.connect((self.ip, self.port))
        threading.Thread(target=self.recv, name='recv',daemon=True).start()
        threading.Thread(target=self._heart,name='heart',daemon=True).start()

    def _heart(self):
        while not self.event.wait(5):
            data = '@im@'
            self.send(data)

    def recv(self):
        while not self.event.is_set():

            # 某些服务端强制关闭时,会出b'',这里进行判断
            try:
                data = self.socket.recv(1024)
                if data == b'':
                    self.event.set()
                    logging.info('{}:{} is down'.format(self.ip, self.port))
                    break
                logging.info(data.decode())

            # 有些服务端在关闭时不会触发b'',这里会直接提示异常,这里进行捕捉
            except (ConnectionResetError,OSError):
                self.event.set()
                logging.info('{}:{} is down'.format(self.ip, self.port))

    def send(self, msg):
        self.socket.send(msg.encode())

    def stop(self):
        self.send('quit')
        self.socket.close()


if __name__ == '__main__':
    ctc = ChatUDPClient('127.0.0.1', 9999)
    ctc.connect()

    while True:
        info = input('>>>>:').strip()
        if not info: continue
        if info.lower() == 'quit':
            logging.info('bye bye')
            ctc.stop()
            break
        if not ctc.event.is_set():
            ctc.send(info)
        else:
            logging.info('Server is down...')
            break

5 UDP协议应用

UDP是无连接协议,它基于以下假设:

  • 网络足够好
  • 消息不会丢包
  • 包不会乱序

但是,即使在局域网,也不能保证不丢包,而且包的到达不一定有序。

应用场景:

  1. 视频音频传输,一般来说,丢些包,问题不大,最多丢些图像,听不清话语。
  2. 海量采集数据,例如传感器发来的数据,丢几十、几百条数据也没有关系。
  3. DNS协议,数据内容小,一个包就能查到结果,不存在乱序,丢包时重新请求解析即可。

一般来说,UDP性能优于TCP,但是可靠性要求高的场合还是要选择TCP协议。

37 - 网络编程-UDP编程

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原文地址:https://www.cnblogs.com/dachenzi/p/10505601.html

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