Go语言UDP网络程序设计

UDP 和上一节《TCP网络程序设计》中的 TCP 一样,也工作在网络传输层,但和 TCP 不同的是,它提供不可靠的通信服务。UDP 网络编程也为 C-S 模式,要设计一个服务器,一个或多个客户机。

另外,UDP 是不保证可靠性的通信协议,所以客户机和服务器之间只要建立连接,就可以直接通信,而不用调用 Aceept() 进行连接确认。本节将详细讲解 UDP 网络编程服务器、客户机的设计原理和设计过程。

UDPAddr 地址结构体

在进行 UDP 网络编程时,服务器或客户机的地址使用 UDPAddr 地址结构体表示,UDPAddr 包含两个字段:IP 和 Port,形式如下:

type UDPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}

函数 ResolveUDPAddr() 可以把网络地址转换为 UDPAddr 地址结构,该函数原型定义如下:

func ResolveUDPAddr(net, addr string) (*UDPAddr, error)

在调用函数 ResolveUDPAddr() 时,参数 net 是网络协议名,可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 addr 是 IP 地址或域名,如果是 IPv6 地址则必须使用“[]”括起来。另外,端口号以“:”的形式跟随在 IP 地址或域名的后面,端口是可选的。

函数 ResolveUDPAddr() 调用成功后返回一个指向 UDPAddr 结构体的指针,否则返回一个错误类型。

另外,UDPAddr 地址对象还有两个方法:Network() 和 String(),Network() 方法用于返回 UDPAddr 地址对象的网络协议名,比如“udp”;String() 方法可以将 UDPAddr 地址转换成字符串形式。这两个方法原型定义如下:

func (a *UDPAddr) Network() string
func (a *UDPAddr) String() string

UDPConn 对象

在进行 UDP 网络编程时,客户机和服务器之间是通过 UDPConn 对象实现连接的,UDPConn 是 Conn 接口的实现。UDPConn 对象绑定了服务器的网络协议和地址信息。UDPConn 对象定义如下:

type UDPConn struct {
    //空结构
}

通过 UDPConn 连接对象在客户机和服务器之间进行通信,UDP 并不能保证通信的可靠性和有序性,这些都要由程序员来处理。为此,TCPConn 对象提供了 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法,这两个方法直接使用远端主机地址进行数据发送和接收,即便在链路失效的情况下,通信操作都能正常进行。

ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法的原型定义如下:

func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err error)
func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (int, error)

ReadFromUDP() 方法调用成功后返回接收字节数和发送方地址,否则返回一个错误类型;WriteToUDP() 方法调用成功后返回发送字节数,否则返回一个错误类型。

UDP 服务器设计

在 UDP 网络编程中,服务器工作过程如下:

1) UDP 服务器首先注册一个公知端口,然后调用 ListenUDP() 函数在这个端口上创建一个 UDPConn 连接对象,并在该对象上和客户机建立不可靠连接。

2) 如果服务器和某个客户机建立了 UDPConn 连接,就可以使用该对象的 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法相互通信了。

3) 不管上一次通信是否完成或正常,UDP 服务器依然会接受下一次连接请求。

函数 ListenUDP() 原型定义如下:

func ListenUDP(net sting, laddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)

在调用函数 ListenUDP() 时,参数 net 是网络协议名,可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 laddr 是服务器本地地址,可以是任意活动的主机地址,或者是内部测试地址“127.0.0.1”。该函数调用成功,返回一个 UDPConn 对象;调用失败,返回一个错误类型。

【示例 1】UDP Server 端设计,服务器使用本地地址,服务端口号为 5001。服务器设计工作模式采用循环服务器,对每一个连接请求调用线程 handleClient 来处理。
//UDP Server 端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    service := ":5001"
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)
    checkError(err)
    for {
        handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn *net.UDPConn) {
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    if err != nil {
        return
    }
    fmt.Println("Receive from client", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.WriteToUDP([]byte("Welcome Client!"), addr)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

UDP 客户机设计

在 UDP 网络编程中,客户机工作过程如下:

1) UDP 客户机在获取了服务器的服务端口号和服务地址之后,可以调用 DialUDP() 函数向服务器发出连接请求,如果请求成功会返回 UDPConn 对象。

2) 客户机可以直接调用 UDPConn 对象的 ReadFromUDP() 方法或 WriteToUDP() 方法,与服务器进行通信活动。

3) 通信完成后,客户机调用 Close() 方法关闭 UDPConn 连接,断开通信链路。

函数 DialUDP() 原型定义如下:

func DialUDP(net string, laddr, raddr *UDPAddr)(*UDPConn, error)

在调用函数 DialUDP() 时,参数 net 是网络协议名,可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 laddr 是本地主机地址,可以设为 nil。参数 raddr 是对方主机地址,必须指定不能省略。函数调用成功后,返回 UDPConn 对象;调用失败,返回一个错误类型。

方法 Close() 的原型定义如下:

func (c *UDPConn) Close() error

该方法调用成功后,关闭 UDPConn 连接;调用失败,返回一个错误类型。

【示例 2】UDP Client 端设计,客户机通过内部测试地址“127.0.0.1”和端口 5001 和服务器建立通信连接。
// UDP Client端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port", os.Args[0])
    }
    service := os.Args[1]
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialUDP("udp", nil, udpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("Hello server!"))
    checkError(err)
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    checkError(err)
    fmt.Println("Reply form server", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.Close()
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
编译并运行服务器端和客户端,测试过程如下:

启动服务器:go run .\main.go
客户机连接:go run .\client.go 127.0.0.1:5001
服务器响应:Receive from client 127.0.0.1:53825 Hello server!
客户机接收:Reply form server 127.0.0.1:5001 Welcome Client!

通过测试结果会发现,采用 TCP 时必须先启动服务器,然后才能正常启动客户机,如果服务器中断,则客户机也会异常退出。而采用 UDP 时,客户机和服务器启动没有先后次序,而且即便是服务器异常退出,客户机也能正常工作。

总之,TCP 可以保证客户机、服务器双方按照可靠有序的方式进行通信,但通信效率低;而 UDP 虽然不能保证通信的可靠性,但通信效率要高得多,在有些场合还是非常有用的。

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