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UDP编程与Socket

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UDP编程与Socket

相关测试命令
1. windows查找udp是否启动端口：
  - netstart -anp udp | find "9999"
  - netstart -anbp udp | findstr 9999
2. linux下发给服务端数据
  - echo "123abc" | nc -u 172.0.0.1 9999

UDP服务端编程

UDP服务端编程流程

创建socket对象。socket.SOCK_DGRAM
绑定IP和Port,bind()方法
传输数据
- 接收数据，socket.recvfrom(bufsize[,flags]),获得一个二元组(string,address)
- 发送数据，socket.sendto(string,address)发给某地址某信息
释放资源

import logging
import sys
import socket

logging.basicConfig(format="%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s",stream=sys.stdout,level=logging.INFO)

server = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) #创建一个基于UDP的socket
server.bind(("127.0.0.1",3999)) #立即绑定一个udp端口
# data = server.recv(1024) #阻塞等待数据
data,radde = server.recvfrom(1024) #阻塞等待数据(value,(ip,port))
logging.info("{}-{}".format(radde,data))
server.sendto("{} server msg = {}".format(server.getsockname(),data).encode(),radde)
server.close()

UDP客户端编写流程
1. 创建socket对象。socket.SOCK_DGRAM
2. 发送数据，socket_sendto(string,address)发给某地址信息
3. 接收数据，socket.recvfrom(bufsize[,flags]),获得一个二元组(string,address)
4. 释放资源
第一个版本

import logging
import sys
import socket

logging.basicConfig(format="%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s",stream=sys.stdout,level=logging.INFO)

client = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
raddr = "127.0.0.1",3999
client.connect(raddr) #connect方法会自动分配一个本地的UDP地址，和设置UDP的链接对象raddr地址
logging.info(client)
client.send(b"hello") #由于使用了connect方法，所以不指定终端也能发送
client.sendto(b"why",raddr) #也可以使用指定地址发送
data,radde = client.recvfrom(1024)
logging.info("{}-{}".format(radde,data))
client.close()

udp_002

第二个版本，不使用connect指定目标

import logging
import sys
import socket

logging.basicConfig(format="%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s",stream=sys.stdout,level=logging.INFO)

client = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
raddr = "127.0.0.1",3999
client.sendto(b"hello",raddr)
logging.info(client)
data,laddr = client.recvfrom(1024)
logging.info("{}-{}".format(data,laddr))
client.close()

udp_003

注意：UDP是无链接协议，所以可以只有任何一端，例如客户端数据发往服务端，服务端存在与否无所谓。
UDP编程中bind、connect、send、sendto、recv、recvfrom方法使用
UDP的socket对象创建后，是没有占用本地地址和端口的。

方法	说明
bind(laddr)	可以指定本地地址和端口laddr,会立即占用，laddr为一个元组，(ip,prot)
connect(raddr)	会随机分配一个本地的端口laddr,会绑定远端地址和端口raddr，raddr是个元组，(ip,prot)
sendto(msg,raddr)	可以立即占用本地地址和端口laddr,并把数据发往指定远端。只有有了本地绑定的端口，sendto就可以向任何远端发送数据 msg #要发送的数据。bytes类型。 raddr#远端地址和端口组成的一个元组(ip，prot)
send(msg)	需要和connect方法配合，可以使用已经从本地端口把数据发往raddr指定的远端 msg#需要发送的消息bytes类型
recv(buffersize)	要求一定要在占用了本地端口后，返回接受的数据,buffersize指定一个缓冲区大小
recvfrom(buffersize)	要求一定要占用了本地端口后，返回接收的数据和对端地址的二元组(msg,raddr) buffersize指定一个缓冲区大小。

练习–UDP版本群聊

服务端代码

""" author:xdd date:2019-06-17 09:20 """
import logging
import sys
import socket
import threading
import datetime

logging.basicConfig(format="%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s",stream=sys.stdout,level=logging.INFO)

class ChatUDPServer:
    def __init__(self,ip="127.0.0.1",port=3999,timeout=10):
        self.socket = socket.socket(type = socket.SOCK_DGRAM)
        self.laddr = ip,port
        self.event = threading.Event()
        self.timeout = timeout
        self.clients = { 
   }

    def start(self):
        socket = self.socket
        socket.bind(self.laddr)
        threading.Thread(target=self.run,name="run").start()

    def run(self):
        socket = self.socket
        clients = self.clients

        while not self.event.is_set():
            try:
                data,raddr = socket.recvfrom(1024)
            except:
                continue
            utctime = datetime.datetime.now().timestamp()
            if data.strip() == b"by": #如果用户自己发送by表示要退出
                self.clients.pop(raddr)
                continue
            clients[raddr] = utctime

            if data.strip() == b"^hh^": #如果是心跳，就忽略
                continue

            msg = "[{}] {}".format(raddr,data)
            logging.info(msg)

            outclient = [] #记录超时的链接地址
            for cr,tm in clients.items():
                if 0 <= utctime - tm <= self.timeout:
                    socket.sendto(msg.encode(),cr)
                else:
                    outclient.append(cr)

            for cr in outclient: #超时后删除
                self.clients.pop(cr)

    def stop(self):
        try:
            self.event.set()
            self.socket.close()
        finally:
            self.clients.clear()

    @classmethod
    def main(cls):
        chserver = cls()
        chserver.start()
        while True:
            cmd = input(">>>>")
            if cmd.strip() == "quit":
                chserver.stop()
                threading.Event().wait(1)
                break
            logging.info(threading.enumerate())
            logging.info(chserver.clients)

ChatUDPServer.main()

UDP版本客户端代码

""" author:xdd date:2019-06-17 10:26 """

import logging
import sys
import socket
import threading

logging.basicConfig(format="%(asctime)s %(thread)d %(threadName)s %(message)s",stream=sys.stdout,level=logging.INFO)

class UdpClient:
    def __init__(self,ip="127.0.0.1",prost = 3999,heartbeattime = 5):
        self.socket = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
        self.raddr = ip,prost
        self.event = threading.Event()
        self.heartbeattime = heartbeattime

    def start(self):
        self.socket.connect(self.raddr)
        self.send("hello")
        threading.Thread(target=self.heartbeat,name="heartbeat").start()
        threading.Thread(target=self.run,name="client").start()

    #发送心跳包，保持链接
    def heartbeat(self):
        while not self.event.wait(self.heartbeattime):
            self.send("^hh^")
        logging.info("心跳结束")

    def run(self):
        while not self.event.is_set():
            try:
                data,raddr = self.socket.recvfrom(1024)
            except:
                continue
            logging.info("[ {} msg ] {}".format(raddr,data))

    def send(self,msg):#发送消息
        socket = self.socket
        socket.send(msg.encode())

    def stop(self):#停止
        self.event.set()
        self.socket.close()

    @classmethod
    def main(cls):
        client = cls()
        client.start()
        while True:
            cmd = input(">>>")
            if cmd.strip() == "quit":
                client.stop()
                break
            else:
                client.send(cmd)

UdpClient.main()

服务端代码
- 增加心跳heartbeat机制或ack机制。这些机制同样可以用在TCP通信的时候。
- 心跳，就是一端定时发往另一端的信息，一般每次数据越少越好。心跳时间间隔约定好就行。
- ack即响应，一端收到另一端的消息后返回的确认信息。

心跳机制
1. 一般来说是客户端定时发往服务端的，服务端并不需要ack回复客户端，只需要记录该客户端还活着就行了。
2. 如果是服务端定时发往客户端的，一般需要客户端ack响应来表示活着，如果没有收到ack的客户端，服务端移除其信息。这种实现较为复杂，用的较少。
3. 也可以双向都发心跳的，用的更少。

UDP协议的应用

UDP是无连接协议，它基于以下假设：
1. 网络足够好
2. 消息不会丢包
3. 包不会乱序
但是，即使是在局域网，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，可以重新发话语来解决。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。
2. DNS协议，数据内容小，一个包就能查询到结果，不存在乱序，丢包，重新请求解析。
一般来说，UDP性能优于TCP，但是可靠性要求高的场合的还是要选择TCP协议。

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