udp编程的那些事与golang udp的实践

tcp/ip大协议中，tcp编程大家应该比较熟，应用的场景也很多，但是udp在现实中，应用也不少，而在大部分博文中，都很少对udp的编程进行研究，最近研究了一下udp编程，正好做个记录。
sheepbao 2017.06.15

tcp Vs udp

tcp和udp都是著名的传输协议，他们都是基于ip协议，都在OSI模型中传输层。tcp我们都很清楚，它提供了可靠的数据传输，而udp我们也知道，它不提供数据传输的可靠性，只是尽力传输。 他们的特性决定了它们很大的不同，tcp提供可靠性传输，有三次握手，4次分手，相当于具有逻辑上的连接，可以知道这个tcp连接的状态，所以我们都说tcp是面向连接的socket，而udp没有握手，没有分手，也不存在逻辑上的连接，所以我们也都说udp是非面向连接的socket。
我们都畏惧不知道状态的东西，所以即使tcp的协议比udp复杂很多，但对于系统应用层的编程来说，tcp编程其实比udp编程容易。而udp相对比较灵活，所以对于udp编程反而没那么容易，但其实掌握后udp编程也并不难。

udp协议

udp的首部

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

udp的首部真的很简单，头2个字节表示的是原端口，后2个字节表示的是目的端口，端口是系统层区分进程的标识。接着是udp长度，最后就是校验和，这个其实很重要，现在的系统都是默认开启udp校验和的，所以我们才能确保udp消息传输的完整性。如果这个校验和关闭了，那会让我们绝对会很忧伤，因为udp不仅不能保证数据一定到达，还不能保证即使数据到了，这个数据是否是正确的。比如：我在发送端发送了“hello”，而接收端却接收到了“hell”。如果真的是这样，我们就必须自己去校验数据的正确性。还好udp默认开发了校验，我们可以保证udp的数据完整性。

udp数据的封装

+---------+
                                    | 应用数据 |
                                    +---------+             
                                    |         |
                                    v         v
                          +---------+---------+
                          | udp首部  | 应用数据 |
                          +---------+---------+
                          |                   |
                          v     UDP数据报      v
                +---------+---------+---------+
                | ip首部   | udp首部  | 应用数据 |
                +---------+---------+---------+
                |                             |
                v           IP数据报           v
      +---------+---------+---------+---------+---------+
      |以太网首部 | ip首部   | udp首部 | 应用数据 |以太网尾部 |
      +---------+---------+---------+---------+---------+
      |   14        20         8                   4    |
      |                  -> 以太网帧 <-                  |

数据的封装和tcp是一样，应用层的数据加上udp首部，构成udp数据报，再加上ip首部构成ip数据报，最后加上以太网首部和尾部构成以太网帧，经过网卡发送出去。

Golang udp实践

实践出真知，编程就需要多实践，才能体会其中的奥妙。

echo客户端和服务端

echo服务，实现数据包的回显，这是很多人网络编程起点，因为这个服务足够简单，但又把网络的数据流都过了一遍，这里也用go udp实现一个echo服务。
实现客户端发送一个“hello”，服务端接收消息并原封不动的返回给客户度。

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: %sn",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,*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,err := conn.ReadFromUDP(buf)
	if err != nil {
		log.Println(err)
	} else {
		fmt.Printf("<<<  %d bytes received from: %v,rn,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","remote server address")
)

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

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

	remoteAddr,err)
	}

	// Build listening connections
	conn,localAddr)
	// Exit if some error occured
	if err != nil {
		log.Fatalln("Error: ",err = conn.WriteToUDP([]byte("hello"),remoteAddr)
	if err != nil {
		log.Println(err)
	} else {
		fmt.Println(">>> Packet sent to: ",remAddr,string(buf[:rn]))
	}
}

这里实现echo的服务端和客户端，和tcp的差不多，但是有一些小细节需要注意。
对于server端，先net.ListenUDP建立udp一个监听，返回一个udp连接，这里需要注意udp不像tcp，建立tcp监听后返回的是一个Listener，然后阻塞等待接收一个新的连接，这样区别是因为udp一个非面向连接的协议，它没有会话管理。同时也因为udp是非面向连接的协议，当接收到消息后，想把消息返回给当前的客户端时，是不能像tcp一样，直接往conn里写的，而是需要指定远端地址。
对于client端，类似tcp先Dial，返回一个连接，对于发送消息用Write，接收消息用Read，当然udp也可以用ReadFromUDP，这样可以知道从哪得到的消息。但其实client也可以用另一种方式写，如client2.go程序，先建立一个监听，返回一个连接，用这个连接发送消息给服务端和从服务器接收消息，这种方式和tcp倒是有很大的不同。

参考

golang doc

（编辑：李大同）

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