python socket 编程之 —— UDP 通信

相比于 TCP 的面向连接、可靠传输，UDP 协议是一种无连接、不保证数据可靠性和顺序的传输方式。它更适用于对实时性要求高，但对丢包不敏感的场景，比如视频直播、在线游戏和语音通信等。Python 中的 socket 模块同样封装了 UDP 协议，为程序员提供了简便的接口来实现 UDP 通信。本文将分别介绍 UDP 通信中的客户端与服务端实现方法，并给出相应的代码示例。

客户端(Client)

UDP 客户端无需建立连接，而是直接将数据报发送到指定的服务器地址和端口。下面的示例展示了如何使用 Python 的 socket 模块实现一个简单的 UDP 客户端：

import socket

# 创建一个 UDP socket，AF_INET表示IPv4，SOCK_DGRAM表示使用UDP协议
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 设置超时时长，单位为秒。1s=1000ms
s.settimeout(1)

# 定义服务端的地址与端口。 因为UDP是无连接的服务，所以只需要知道IP地址和端口号，就可以直接发送消息，无需建立连接。
server_addr = ("127.0.0.1", 8888)

# 要发送的消息
message = "hello, UDP"

# 使用sendto方法将消息发送到指定的服务端地址
s.sendto(message.encode(), server_addr)

# 接收来自服务端的响应，recvfrom返回一个元组：(数据, 服务端地址)
# 因为设置了超时，所以使用try,except语句处理超时错误，避免程序崩溃
try:
	data, addr = s.recvfrom(1024)
	if data:
		recv_message = data.decode()
		print(f"接收到来自 {addr} 的消息: {recv_message}")
except socket.timeout:
	print("timeout")

s.close()

说明：

• UDP 是无连接的，因此无需调用 connect 方法，而是直接使用 sendto 将数据报发送给目标地址。
• 使用 recvfrom 接收数据时，同时会返回发送方的地址信息。recvfrom函数返回的是数据和地址的元组(tuple)

recv与recvfrom

读者可能会发现，在TCP编程中我们使用了socket.recv()方法，但是在UDP中我们使用的是socket.recvfrom()方法。二者有什么区别呢？

• recv方法返回data，也就是只返回数据, recvfrom方法返回(data, addr)，也就是返回数据和发送者的地址两个信息。
• UDPrecv和recvfrom方法都可以使用。但是一般来说，需要发送者地址才能够进行回复，所以常用recvfrom
• TCP只能使用recv方法。由于其本身就是建立在连接上的通信，所以本身就知道双方地址。

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服务端(Server)

UDP 服务端的编程也十分简单，只需要绑定端口后不断调用 recvfrom 方法即可接收来自各个客户端的数据报。下面是一个基本的 UDP 服务端示例代码：

import socket

# 创建一个 UDP socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 绑定地址与端口，"0.0.0.0"表示监听所有可用的网络接口
server_addr = ("0.0.0.0", 8888)
s.bind(server_addr)

print(f"UDP 服务端已启动，监听地址：{server_addr}")

while True:
	# 接收数据和客户端地址
	data, client_addr = s.recvfrom(1024)
	message = data.decode()
	if message:
		print(f"接收到来自 {client_addr} 的消息: {message}")
		# 处理完消息后，可发送响应给客户端
		response = "receive"
		s.sendto(response.encode(), client_addr)

说明：

• 服务端使用 bind 绑定到指定的 IP 地址和端口，其中 "0.0.0.0" 表示监听所有网络接口。如果使用 "127.0.0.1" 则仅能接收本机发送的数据报。
• 因为 UDP 是无连接协议，所以服务端不需要调用 listen 或 accept 方法。
• 每个收到的数据报都包含了发送者的地址信息，可以利用该信息直接回复客户端。

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UDP 通信的特点与注意事项

1. 无连接性
   UDP 不需要建立连接，每个数据报都是独立发送和接收的。这样既降低了通信延迟，又节省了连接资源。

2. 不保证可靠性
   UDP 不保证数据包一定能到达，也不保证数据包的顺序。如果应用场景要求数据完整可靠，需要在应用层自行实现相应的机制。

3. 适用于实时性要求高的场景
   由于传输过程中开销较小，UDP 更适用于视频会议、实时语音、在线游戏等对延迟要求较高的场景。

4. 数据报大小限制
   由于 UDP 数据报需要在 IP 层进行分片与组装，因此数据包一般不宜过大，否则可能引起丢包或传输失败。通常建议数据包大小不超过 1500 字节（考虑到 MTU）。

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更优雅的服务端写法

当服务端功能较复杂，需要处理大量不同逻辑时，可以采用面向对象的方式对 UDP 服务端进行封装。下面是一个使用类和多线程的 UDP 服务端示例（注意：UDP 本身是无连接的，多线程仅用于并发处理接收到的数据报）：

import socket
from threading import Thread

class UDPServer:
	def __init__(self, host="0.0.0.0", port=8888):
		self.server_addr = (host, port)
		self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
		self.sock.bind(self.server_addr)
		print(f"UDP 服务端启动，监听地址：{self.server_addr}")

	def start(self):
		while True:
			# 接收数据和客户端地址
			data, client_addr = self.sock.recvfrom(1024)
			if data:
				# 启动新线程处理每个数据报
				Thread(target=self.handle_client, args=(data, client_addr)).start()

	def handle_client(self, data, client_addr):
		message = data.decode()
		print(f"收到来自 {client_addr} 的消息: {message}")
		# 在此处加入处理逻辑
		response = "receive"
		self.sock.sendto(response.encode(), client_addr)

if __name__ == "__main__":
	server = UDPServer(port=8888)
	server.start()

说明：

• 通过将服务端功能封装在一个类中，可以更方便地扩展和维护代码。
• 多线程处理可以避免在处理某个数据报时阻塞其它数据的接收，不过在高并发场景下，需要注意线程调度和资源竞争问题。