UDP程序设计

UDP协议概述

UDP，User Datagram Protocol，用户数据报协议，是一个简单的面向数据报(package-oriented)的传输层协议，规范为：RFC 768。

UDP提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份。缺乏可靠性，缺乏拥塞控制（congestion control）。

基本示例

由于UDP是“无连接”的，所以服务器端不需要创建监听套接字，只需要监听地址，等待客户端与之建立连接，即可通信。

net包支持的典型UDP函数：

 // 解析UDPAddrfunc ResolveUDPAddr(network, address string) (*UDPAddr, error)// 监听UDP地址func ListenUDP(network string, laddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)// 连接UDP服务器func DialUDP(network string, laddr, raddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)// UDP读func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err error)// UDP写func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (int, error)

编写示例，一次读写操作：

服务端流程：

• 解析UDP地址

• 监听UDP

• 读内容

• 写内容

 func UDPServerBasic() {// 1.解析地址laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", ":9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}​// 2.监听udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())defer udpConn.Close()​// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())​// 4.写data := []byte("received:" + string(buf[:rn]))wn, err := udpConn.WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())}​

客户端流程：

• 建立连接

• 写操作

• 读操作

 func UDPClientBasic() {// 1.建立连接raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Println(udpConn)​// 2.写data := []byte("Go UDP program")wn, err := udpConn.Write(data) // WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())​// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())}

测试：

 > go test -run UDPServerBasic2023/05/25 17:26:34 UDP server is listening on [::]:98762023/05/25 17:29:22 received Go UDP program from 127.0.0.1:586572023/05/25 17:29:24 send received:Go UDP program(23) to 127.0.0.1:58657

 > go test -run UDPClientBasic2023/05/25 17:29:22 &{{0xc000108f00}}2023/05/25 17:29:22 send Go UDP program(14) to 127.0.0.1:98762023/05/25 17:29:24 received received:Go UDP program from 127.0.0.1:9876

connected和unconnected的UDPConn

UDP的连接分为：

• 已连接，connected, 使用方法 DialUDP建立的连接，称为已连接，pre-connected

• 未连接，unconnected，使用方法 ListenUDP 获得的连接，称为未连接，not connected

如果 *UDPConn是 connected,读写方法 Read和 Write。 如果 *UDPConn是 unconnected,读写方法 ReadFromUDP和 WriteToUDP

主要的差异在写操作上。读操作如果使用混乱，不会影响读操作本身，但一些参数细节上要注意：

示例：获取远程地址，conn.RemoteAddr()

unconnected，ListenUDP

 func UDPServerConnect() {// 1.解析地址laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", ":9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}​// 2.监听udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())defer udpConn.Close()​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())​// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())​// 4.写data := []byte("received:" + string(buf[:rn]))wn, err := udpConn.WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())}

测试：

 > go test -run UDPServerConnect2023/05/25 18:24:19 UDP server is listening on [::]:98762023/05/25 18:24:19 <nil>2023/05/25 18:24:32 received Go UDP program from 127.0.0.1:635832023/05/25 18:24:35 <nil>2023/05/25 18:24:35 send received:Go UDP program(23) to 127.0.0.1:635832023/05/25 18:24:35 <nil>

connected，DialUDP

 func UDPClientConnect() {// 1.建立连接raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())​// 2.写data := []byte("Go UDP program")wn, err := udpConn.Write(data) // WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())​// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())​// 测试输出远程地址log.Println(udpConn.RemoteAddr())}

测试：

> go test -run UDPClientConnect
2023/05/25 18:24:32 127.0.0.1:9876
2023/05/25 18:24:32 send Go UDP program(14) to 127.0.0.1:9876
2023/05/25 18:24:32 127.0.0.1:9876
2023/05/25 18:24:35 received received:Go UDP program from 127.0.0.1:9876
2023/05/25 18:24:38 127.0.0.1:9876

示例：connected+WriteToUDP错误：

udpConn, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)
wn, err := udpConn.WriteToUDP(data, raddr)

测试：

> go test -run UDPClientConnect
2023/05/25 18:27:41 127.0.0.1:9876
2023/05/25 18:27:41 write udp 127.0.0.1:52787->127.0.0.1:9876: use of WriteTo with pre-connected connection

示例：unconnected+Write错误：

udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)
wn, err := udpConn.Write(data)

测试：

write udp [::]:9876: wsasend: A request to send or receive data was disallowed because the socket is not connected and (when sending on a datagram socket using a sendto call) no address was supplied.

Read的使用尽量遵循原则，但语法上可以混用，内部有兼容处理。

对等服务端和客户端

函数

func ListenUDP(network string, laddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)

可以直接返回UDPConn，是unconnected状态。在编程时，我们的客户端和服务端都可以使用该函数建立UDP连接。而不是一定要在客户端使用DialUDP函数。

这样创建的客户端和服务端时对等的关系。适用于例如广播类的网络通信项目中。

示例代码：

server：

func UDPServerPeer() {// 1.解析地址laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}// 2.监听udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())defer udpConn.Close()// 远程地址raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:6789")if err != nil {log.Fatalln(err)}// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())// 4.写data := []byte("received:" + string(buf[:rn]))wn, err := udpConn.WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())
}

client：

func UDPClientPeer() {// 1.解析地址laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:6789")if err != nil {log.Fatalln(err)}// 2.监听udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())defer udpConn.Close()// 远程地址raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}// 2.写data := []byte("Go UDP program")wn, err := udpConn.WriteToUDP(data, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("send %s(%d) to %s\n", string(data), wn, raddr.String())// 3.读buf := make([]byte, 1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}log.Printf("received %s from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())
}

测试：

> go test -run UDPServerPeer
2023/05/25 19:08:34 UDP server is listening on 127.0.0.1:9876
2023/05/25 19:08:46 received Go UDP program from 127.0.0.1:6789
2023/05/25 19:08:46 send received:Go UDP program(23) to 127.0.0.1:6789

> go test -run UDPClientPeer
2023/05/25 19:08:46 UDP server is listening on 127.0.0.1:6789
2023/05/25 19:08:46 send Go UDP program(14) to 127.0.0.1:9876
2023/05/25 19:08:46 received received:Go UDP program from 127.0.0.1:9876

多播编程

多播（Multicast）方式的数据传输是基于 UDP 完成的。与 UDP 服务器端/客户端的单播方式不同，区别是，单播数据传输以单一目标进行，而多播数据同时传递到加入（注册）特定组的大量主机。换言之，采用多播方式时，可以同时向多个主机传递数据。

多播的特点如下：

• 多播发送端针对特定多播组

• 发送端发送 1 次数据，但该组内的所有接收端都会接收数据

• 多播组数可以在 IP 地址范围内任意增加

如图所示：

多播组是 D 类IP地址（224.0.0.0~239.255.255.255）：

• 224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；

• 224.0.1.0～224.0.1.255是公用组播地址，Internetwork Control Block；

• 224.0.2.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；

• 239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效

Go的标准库net支持多播编程，主要的函数：

func ListenMulticastUDP(network string, ifi *Interface, gaddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)

用于创建多播的UDP连接。

示例：多播通信

接收端端

// 多播接收端
func UDPReceiverMulticast() {// 1.多播监听地址address := "224.1.1.2:6789"gaddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", address)if err != nil {log.Fatalln(err)}// 2.多播监听udpConn, err := net.ListenMulticastUDP("udp", nil, gaddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())// 3.接受数据// 循环接收buf := make([]byte, 1024)for {rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Println(err)}log.Printf("received \"%s\" from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())}}

发送端：

// 多播的发送端
func UDPSenderMulticast() {// 1.建立UDP多播组连接address := "224.1.1.2:6789"raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", address)if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()// 2.发送内容// 循环发送for {data := fmt.Sprintf("[%s]: %s", time.Now().Format("03:04:05.000"), "hello!")wn, err := udpConn.Write([]byte(data))if err != nil {log.Println(err)}log.Printf("send \"%s\"(%d) to %s\n", data, wn, raddr.String())time.Sleep(time.Second)}
}

测试：

启动发送端：

# go test -run UDPSenderMulticast
2023/05/26 16:36:43 send "[04:36:43.976]: hello!"(22) to 224.1.1.2:6789
2023/05/26 16:36:44 send "[04:36:44.977]: hello!"(22) to 224.1.1.2:6789
2023/05/26 16:36:45 send "[04:36:45.979]: hello!"(22) to 224.1.1.2:6789
2023/05/26 16:36:46 send "[04:36:46.980]: hello!"(22) to 224.1.1.2:6789

启动多个接收端，也可以在过程中继续启动：

# go test -run UDPReceiverMulticast
2023/05/26 16:36:00 UDP server is listening on 0.0.0.0:6789
2023/05/26 16:36:00 received "[04:36:43.499]: hello!" from 192.168.50.130:56777
2023/05/26 16:36:01 received "[04:36:43.500]: hello!" from 192.168.50.130:56777
2023/05/26 16:36:02 received "[04:36:43.500]: hello!" from 192.168.50.130:56777

# go test -run UDPReceiverMulticast
2023/05/26 16:36:00 UDP server is listening on 0.0.0.0:6789
2023/05/26 16:36:00 received "[04:36:43.499]: hello!" from 192.168.50.130:56777
2023/05/26 16:36:01 received "[04:36:44.500]: hello!" from 192.168.50.130:56777
2023/05/26 16:36:02 received "[04:36:45.500]: hello!" from 192.168.50.130:56777

附：Goland远程开发步骤截图：

• 建立ssh连接

• 打开项目

广播编程

广播地址，Broadcast，指的是将消息发送到在同一广播网络上的每个主机。

例如对于网络：

# ip a
ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>
inet 192.168.50.130/24 brd 192.168.50.255

来说，IP ADDR 就是 192.168.50.130/24， 广播地址就是 192.168.50.255。

意味着，只要发送数据包的目标地址（接收地址）为192.168.50.255时，那么该数据会发送给该网段上的所有计算机。

如图：

编码实现：

编码时数据发的发送端，同样使用 ListenUDP 方法建立UDP连接，调用WriteToUDP完成数据的发送。就是上面的对等服务端和客户端模式。

接收端：

// 广播接收端
func UDPReceiverBroadcast() {// 1.广播监听地址laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", ":6789")if err != nil {log.Fatalln(err)}// 2.广播监听udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())// 3.接收数据// 4.处理数据buf := make([]byte, 1024)for {rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Println(err)}log.Printf("received \"%s\" from %s\n", string(buf[:rn]), raddr.String())}
}

发送端：

// 广播发送端
func UDPSenderBroadcast() {// 1.监听地址// 2.建立连接laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", ":9876")if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())// 3.发送数据// 广播地址rAddress := "192.168.50.255:6789"raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", rAddress)if err != nil {log.Fatalln(err)}for {data := fmt.Sprintf("[%s]: %s", time.Now().Format("03:04:05.000"), "hello!")// 广播发送wn, err := udpConn.WriteToUDP([]byte(data), raddr)if err != nil {log.Println(err)}log.Printf("send \"%s\"(%d) to %s\n", data, wn, raddr.String())time.Sleep(time.Second)}
}

测试：

接收端：

# go test -run UDPReceiverBroadcast
2023/06/01 17:13:27 UDP server is listening on [::]:6789
2023/06/01 17:13:34 received "[05:13:34.707]: hello!" from 192.168.50.130:9876
2023/06/01 17:13:35 received "[05:13:35.709]: hello!" from 192.168.50.130:9876

发送端：

# go test -run UDPSenderBroadcast
2023/06/01 17:13:34 UDP server is listening on [::]:9876
2023/06/01 17:13:34 send "[05:13:34.707]: hello!"(22) to 192.168.50.255:6789
2023/06/01 17:13:35 send "[05:13:35.709]: hello!"(22) to 192.168.50.255:6789

文件传输案例

案例说明

UDP协议在传输数据时，由于不能保证稳定性传输，因此比较适合多媒体通信领域，例如直播、视频、音频即时播放，即时通信等领域。

本案例使用文件传输为例。

客户端设计：

• 发送文件mp3（任意类型都ok）

• 发送文件名

• 发送文件内容

服务端设计：

• 接收文件

• 存储为客户端发送的名字

• 接收文件内容

• 写入到具体文件中

编码实现

客户端：

// 文件传输（上传）
func UDPFileClient() {// 1.获取文件信息filename := "./data/Beyond.mp3"// 打开文件file, err := os.Open(filename)if err != nil {log.Fatalln(err)}// 关闭文件defer file.Close()// 获取文件信息fileinfo, err := file.Stat()if err != nil {log.Fatalln(err)}//fileinfo.Size(), fileinfo.Name()log.Println("send file size:", fileinfo.Size())// 2.连接服务器raddress := "192.168.50.131:5678"raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", raddress)if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()// 3.发送文件名if _, err := udpConn.Write([]byte(fileinfo.Name())); err != nil {log.Fatalln(err)}// 4.服务端确认buf := make([]byte, 4*1024)rn, err := udpConn.Read(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}// 判断是否为文件名正确接收响应if "filename ok" != string(buf[:rn]) {log.Fatalln(errors.New("server not ready"))}// 5.发送文件内容// 读取文件内容，利用连接发送到服务端// file.Read()i := 0for {// 读取文件内容rn, err := file.Read(buf)if err != nil {// io.EOF 错误表示文件读取完毕if err == io.EOF {break}log.Fatalln(err)}// 发送到服务端if _, err := udpConn.Write(buf[:rn]); err != nil {log.Fatalln(err)}i++}log.Println(i)// 文件发送完成。log.Println("file send complete.")// 等待的测试time.Sleep(2 * time.Second)
}

服务端：

// UDP文件传输
func UDPFileServer() {// 1.建立UDP连接laddress := ":5678"laddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", laddress)if err != nil {log.Fatalln(err)}udpConn, err := net.ListenUDP("udp", laddr)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer udpConn.Close()log.Printf("%s server is listening on %s\n", "UDP", udpConn.LocalAddr().String())// 2.接收文件名，并确认buf := make([]byte, 4*1024)rn, raddr, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}filename := string(buf[:rn])if _, err := udpConn.WriteToUDP([]byte("filename ok"), raddr); err != nil {log.Fatalln(err)}// 3.接收文件内容，并写入文件// 打开文件（创建）file, err := os.Create(filename)if err != nil {log.Fatalln(err)}defer file.Close()// 网络读取i := 0for {// 一次读取rn, _, err := udpConn.ReadFromUDP(buf)if err != nil {log.Fatalln(err)}// 写入文件if _, err := file.Write(buf[:rn]); err != nil {log.Fatalln(err)}i++log.Println("file write some content", i)}
}

测试，将文件从win传输到linux（centos）中。

上传成功，但文件内容未完整接收，注意这个UDP内容传输的特点（劣势）。

# ll
total 16344
-rw-r--r--. 1 root root 9954453 Jun  2 18:08 Beyond.mp3# ll
total 16344
-rw-r--r--. 1 root root 9757845 Jun  2 18:14 Beyond.mp3

对比源文件大小：

> go test -run UDPFileClient
2023/06/02 18:14:54 send file size: 10409109

小结

• UDP，User Datagram Protocol，用户数据报协议，是一个简单的面向数据报(package-oriented)的传输层协议

• 单播，点对点

• 多播，组内，使用多播（组播）地址

• 广播，网段内，使用广播地址

• udp连接

  • connected, net.DialUDP, Read, Write

  • unconnected, net.ListenUDP, ReadFromUDP, WriteToUDP

• 场景：

  • 实时性要求高

  • 完整性要求不高