udp程式設計的那些事與golang udp的實踐

tcp/ip大協議中，tcp程式設計大家應該比較熟，應用的場景也很多，但是udp在現實中，應用也不少，而在大部分博文中，都很少對udp的程式設計進行研究，最近研究了一下udp程式設計，正好做個記錄。
sheepbao 2017.06.15

tcp Vs udp

tcp和udp都是著名的傳輸協議，他們都是基於ip協議，都在OSI模型中傳輸層。tcp我們都很清楚，它提供了可靠的資料傳輸，而udp我們也知道，它不提供資料傳輸的可靠性，只是盡力傳輸。 他們的特性決定了它們很大的不同，tcp提供可靠性傳輸，有三次握手，4次分手，相當於具有邏輯上的連線，可以知道這個tcp連線的狀態，所以我們都說tcp是面向連線的socket，而udp沒有握手，沒有分手，也不存在邏輯上的連線，所以我們也都說udp是非面向連線的socket。
我們都畏懼不知道狀態的東西，所以即使tcp的協議比udp複雜很多，但對於系統應用層的程式設計來說，tcp程式設計其實比udp程式設計容易。而udp相對比較靈活，所以對於udp程式設計反而沒那麼容易，但其實掌握後udp程式設計也並不難。

udp協議

udp的首部

        2               2       (byte)
+---+---+---+---+---+---+---+---+      -
|    src port   |    dst port   |      |
+---+---+---+---+---+---+---+---+      8（bytes）
|     length    |   check sum   |      |
+---+---+---+---+---+---+---+---+      -
|                               |
+              data             +      
|                               |
+---+---+---+---+---+---+---+---+  

udp的首部真的很簡單，頭2個位元組表示的是原埠，後2個位元組表示的是目的埠，埠是系統層區分程式的標識。接著是udp長度，最後就是校驗和，這個其實很重要，現在的系統都是預設開啟udp校驗和的，所以我們才能確保udp訊息傳輸的完整性。如果這個校驗和關閉了，那會讓我們絕對會很憂傷，因為udp不僅不能保證資料一定到達，還不能保證即使資料到了，這個資料是否是正確的。比如：我在傳送端傳送了“hello”，而接收端卻接收到了“hell”。如果真的是這樣，我們就必須自己去校驗資料的正確性。還好udp預設開發了校驗，我們可以保證udp的資料完整性。

udp資料的封裝

                                    +---------+
                                    | 應用資料 |
                                    +---------+             
                                    |         |
                                    v         v
                          +---------+---------+
                          | udp首部  | 應用資料 |
                          +---------+---------+
                          |                   |
                          v     UDP資料包      v
                +---------+---------+---------+
                | ip首部   | udp首部  | 應用資料 |
                +---------+---------+---------+
                |                             |
                v           IP資料包           v
      +---------+---------+---------+---------+---------+
      |乙太網首部 | ip首部   | udp首部 | 應用資料 |乙太網尾部 |
      +---------+---------+---------+---------+---------+
      |   14        20         8                   4    |
      |                  -> 乙太網幀 <-                  |

資料的封裝和tcp是一樣，應用層的資料加上udp首部，構成udp資料包，再加上ip首部構成ip資料包，最後加上乙太網首部和尾部構成乙太網幀，經過網路卡傳送出去。

Golang udp實踐

實踐出真知，程式設計就需要多實踐，才能體會其中的奧妙。

echo客戶端和服務端

echo服務，實現資料包的回顯，這是很多人網路程式設計起點，因為這個服務足夠簡單，但又把網路的資料流都過了一遍，這裡也用go udp實現一個echo服務。
實現客戶端傳送一個“hello”，服務端接收訊息並原封不動的返回給客戶度。

server.go

package main

import (
    "flag"
    "fmt"
    "log"
    "net"
)

var addr = flag.String("addr", ":10000", "udp server bing address")

func init() {
    log.SetFlags(log.LstdFlags | log.Lshortfile)
    flag.Parse()
}

func main() {
    //Resolving address
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", *addr)
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }

    // Build listining connections
    conn, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }
    defer conn.Close()

    // Interacting with one client at a time
    recvBuff := make([]byte, 1024)
    for {
        log.Println("Ready to receive packets!")
        // Receiving a message
        rn, rmAddr, err := conn.ReadFromUDP(recvBuff)
        if err != nil {
            log.Println("Error:", err)
            return
        }

        fmt.Printf("<<< Packet received from: %s, data: %s\n", rmAddr.String(), string(recvBuff[:rn]))
        // Sending the same message back to current client
        _, err = conn.WriteToUDP(recvBuff[:rn], rmAddr)
        if err != nil {
            log.Println("Error:", err)
            return
        }
        fmt.Println(">>> Sent packet to: ", rmAddr.String())
    }
}

client1.go

package main

import (
    "flag"
    "fmt"
    "log"
    "net"
)

var raddr = flag.String("raddr", "127.0.0.1:10000", "remote server address")

func init() {
    log.SetFlags(log.LstdFlags | log.Lshortfile)
    flag.Parse()
}

func main() {
    // Resolving Address
    remoteAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", *raddr)
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }

    // Make a connection
    tmpAddr := &net.UDPAddr{
        IP:   net.ParseIP("127.0.0.1"),
        Port: 0,
    }

    conn, err := net.DialUDP("udp", tmpAddr, remoteAddr)
    // Exit if some error occured
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }
    defer conn.Close()

    // write a message to server
    _, err = conn.Write([]byte("hello"))
    if err != nil {
        log.Println(err)
    } else {
        fmt.Println(">>> Packet sent to: ", *raddr)
    }

    // Receive response from server
    buf := make([]byte, 1024)
    rn, rmAddr, err := conn.ReadFromUDP(buf)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    } else {
        fmt.Printf("<<<  %d bytes received from: %v, data: %s\n", rn, rmAddr, string(buf[:rn]))
    }
}

client2.go

package main

import (
    "flag"
    "fmt"
    "log"
    "net"
)

var (
    laddr = flag.String("laddr", "127.0.0.1:9000", "local server address")
    raddr = flag.String("raddr", "127.0.0.1:10000", "remote server address")
)

func init() {
    log.SetFlags(log.LstdFlags | log.Lshortfile)
    flag.Parse()
}

func main() {
    // Resolving Address
    localAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", *laddr)
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }

    remoteAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", *raddr)
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }

    // Build listening connections
    conn, err := net.ListenUDP("udp", localAddr)
    // Exit if some error occured
    if err != nil {
        log.Fatalln("Error: ", err)
    }
    defer conn.Close()

    // write a message to server
    _, err = conn.WriteToUDP([]byte("hello"), remoteAddr)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    } else {
        fmt.Println(">>> Packet sent to: ", *raddr)
    }

    // Receive response from server
    buf := make([]byte, 1024)
    rn, remAddr, err := conn.ReadFromUDP(buf)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    } else {
        fmt.Printf("<<<  %d bytes received from: %v, data: %s\n", rn, remAddr, string(buf[:rn]))
    }
}

這裡實現echo的服務端和客戶端，和tcp的差不多，但是有一些小細節需要注意。
對於server端，先net.ListenUDP建立udp一個監聽，返回一個udp連線，這裡需要注意udp不像tcp，建立tcp監聽後返回的是一個Listener，然後阻塞等待接收一個新的連線，這樣區別是因為udp一個非面向連線的協議，它沒有會話管理。同時也因為udp是非面向連線的協議，當接收到訊息後，想把訊息返回給當前的客戶端時，是不能像tcp一樣，直接往conn裡寫的，而是需要指定遠端地址。
對於client端，類似tcp先Dial，返回一個連線，對於傳送訊息用Write，接收訊息用Read，當然udp也可以用ReadFromUDP，這樣可以知道從哪得到的訊息。但其實client也可以用另一種方式寫，如client2.go程式，先建立一個監聽，返回一個連線，用這個連線傳送訊息給服務端和從伺服器接收訊息，這種方式和tcp倒是有很大的不同。

參考

golang pkg