2 socket模块-UDP
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TCP/IP协议中的TCP和UDP协议都是通过一种名为套接字(socket)来实现网络功能。套接字是一种类文件对象，它使得程序能够接受客户端的连接或者建立对客户端的连接，用以发送和接收数据。不论是客户端程序还是服务器端程序，为了进行网络通信，都要创建套接字对象。本章讲解UDP协议用python套接字模块的实现。
2.1 UDP
2.1.1 udp定义
UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。
2.1.2 udp特性
（1） UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。 （2） 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。 （3） UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。 （4） 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。 （5）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。 （6）UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
虽然UDP是一个不可靠的协议，但它是分发信息的一个理想协议。例如，在屏幕上报告股票市场、在屏幕上显示航空信息等等。UDP也用在路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）中修改路由表。在这些应用场合下，如果有一个消息丢失，在几秒之后另一个新的消息就会替换它。UDP广泛用在多媒体应用中，例如，Progressive Networks公司开发的RealAudio软件，它是在因特网上把预先录制的或者现场音乐实时传送给客户机的一种软件，该软件使用的RealAudio audio-on-demand protocol协议就是运行在UDP之上的协议，大多数因特网电话软件产品也都运行在UDP之上。
2.2 socket模块函数
python中实现套接字的基本模块为socket。一般公共socket()函数来创建套接字，并进行网络通信。要使用socket需要导入socket模块：import socket。一般使用socket.socket()函数来创建套接字。其语法如下：
socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto)
其中： family为套接字家族名:AN_INET、AF_INET6、AF_UNIX、AF_CAN、AF_RDS;AN_INET默认值代表ipv4。 type为套接字类型：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW;SOCK_STREAM为TCP协议使用的类型，SOCK_DGRAM为UDP使用的类型。 proto为协议类型，默认为0 。
常见的socket对象常用的方法有：
bind(address)
其参数address是由ip和端口组成的元组，如('127.0.0.1', 8888) 。如果ip地址为空，则表示本机，它的作用为绑定端口，使该程序在运行时使用操作系统的固定指定端口。
listen(backlog)
其参数backlog是指在拒绝连接之前，操作系统允许此程序的最大挂起连接数量。最小值为0.
accept()
等待进入连接，并返回一个由新建的与客户端的socket连接和客户端地址组成的元组，其中客户的地址是由客户端ip地址和端口组成的元组。
close()
关闭套接字，停止连接。
recv(buffersize[, flag])
TCP用于接收远程连接发来的信息，并获取该信息，python3中为bytes类型。buffersize为接收缓冲区的大小。阻塞函数
send(data[, flags])
TCP用于发送数据，data为bytes类型，返回值为已经发送的字节数。
recvfrom(buffersize[, flag])
UDP用于接收远程连接发来的信息，并获取该信息，python3中为bytes类型。buffersize为接收缓冲区的大小。阻塞函数
sendto(data[, flags])
UDP用于发送数据，data为bytes类型，返回值为已经发送的字节数。
2.3 UDP套接字流程
这几章为了更好的无负担学习套接字的客户端和服务端程序学习，我们借助非常有名的网络调试助手来充当服务器或者客户端进行配合演示。网络调试助手的具体使用可以查看UDP操作https://jingyan.baidu.com/article/20b68a88a9c056796dec625e.html和TCP操作：https://jingyan.baidu.com/article/148a1921dc93e74d71c3b1d7.html。 本书采用mac的网络调试助手演示，其他系统的可以查看百度链接。
根据UDP协议的无连接特点，一般客户端仅仅需要创建套接字、数据收发、关闭套接字三个部分就可以完成了。服务器由于需要给众多客户端一个明确的连接地址和端口，所以需要额外的绑定端口操作。下图为UDP客户端和UDP服务器之间的通信流程。
udp通信模型中，在通信开始之前，不需要建立相关的链接，只需要发送数据即可，类似于生活中，"写信"/“发短信“。
2.4 UDP客户端实现
需求实现：
向服务器发送一条数据，并接收来自服务器的数据，并打印
根据流程图书写模块代码
导入套接字模块
import socket
创建UDP套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
发数据
sock.sendto(data, address)
收数据
sock.recvfrom(buffersize)
关闭套接字
sock.close()
完整代码
'''net01_udp_client.py'''
import socket # 导入模块
address = ('192.168.234.129', 8080) # 服务器地址为192.168.234.129，端口号为8080
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # 创建套接字
send_data = 'net01_udp_client.py'
print('要发送的数据为', send_data)
sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), address) # 发送数据为bytes类型
recv_data = sock.recvfrom(1024) # 接收到的数据为两部分，recv_data[1]为数据发送端的地址，recv_data[2]为接收到的数据
print(recv_data[1], '传送回来的数据为：', recv_data[0].decode('utf-8'))
sock.close()
实现结果
本节通过mac上运行我们实例中的udp客户端程序，在虚拟机上用linux上打开网络助手作为UDP服务器。其中，本地mac的ip为192.168.234.1,在运行时系统自动分配的端口号为58505；虚拟机上的linux系统的ip为192.168.234.129，设定服务器端口号为8080。 先让服务端运行（点击连接网络），然后运行程序，可以看到linux上的网络调试助手接收到的数据为net01_udp_client.py；然后通过设置网络调试助手上的目标ip和端口为我们的udp客户端程序运行的ip和端口(192.168.234.1, 58505)，写入数据（我已经接收到数据了），点击发送;在udp客户端可以看到成功接收到了来自网络调试助手发送的数据和相关地址信息。这样我们就简单的实现了udp客户端的收发功能和语法学习。
2.5 UDP服务器端实现
需求实现：
从客户端收到一条数据后，在数据头增加’来自服务器‘字符串，然后一起转发回客户端，然后关闭服务器套接字。
根据流程图书写模块代码
导入套接字模块
import socket
创建UDP套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
绑定端口
sock.bind(address)
收数据
sock.recvfrom(buffersize)
发数据
sock.sendto(data, address)
关闭套接字
sock.close()
完整代码
'''net02_udp_server.py'''
import socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
address = ('192.168.234.1', 8888) # 地址：设定服务器要使用端口8888
sock.bind(address) # 绑定端口
recv_data = sock.recvfrom(1024) # 接收数据
send_data = '来自服务器' + recv_data[0].decode() # 数据处理，增加'来自服务器'
sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), recv_data[1]) # 发送数据
sock.close() # 关闭套接字
实现结果
本节通过mac上运行我们实例中的udp服务端程序，在虚拟机上用linux上打开网络助手作为UDP客户端。其中，本地mac的ip为192.168.234.1,设定绑定的端口号为8888；虚拟机上的linux系统的ip为192.168.234.129。 先运行程序，然后通过网络调试助手指定发送ip和端口，发送数据’服务器你好‘，可以看到linux上的网络调试助手接收到的数据为’来自服务器服务器你好‘。这样我们就简单的实现了udp服务端的收发功能和语法学习。
如果把上一节的客户端所要发送的目标地址修改为本节所创建的服务器地址('192.168.234.1', 8888)，我们会发现它们实现了通信：同一操作系统不同进程间的通信。
# address = ('192.168.234.129', 8080) # 服务器地址为192.168.234.129，端口号为8080
address = ('192.168.234.1', 8888) # 和net02_udp_server服务器进行通信
2.6 实例：UDP简易版聊天工具实现
需求实现：
编写1个程序，有2个功能：1.获取键盘数据，并将其发送给指定方，2.接收数据并显示。进行简单选择以上的2个功能调用实现相应的功能。
根据流程图书写模块代码
主程序 套接字创建与端口绑定
功能菜单：1、发送数据 2、接收数据
功能调用：如果1，调用发送数据函数；如果2 调用接收数据函数
发送数据函数 输入数据、指定方的ip和端口 发送数据
接收数据函数 接收数据并打印
完整代码
'''net03_udp_chat.py'''
import socket
def send_message():
send_data = input('请输入要发送的消息：\n')
send_ip = input('请输入要发送的ip：\n')
send_port = input('请输入要发送的端口:\n')
send_address = (send_ip, int(send_port))
sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), send_address)
def recv_message():
recv_data = sock.recvfrom(1024) # 接收数据
print('从', recv_data[1], '接收的数据为：', recv_data[0].decode('utf-8'))
if __name__ == '__main__':
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
address = ('192.168.234.1', 8888) # 地址：设定服务器要使用端口8888
sock.bind(address) # 绑定端口
# 功能菜单显示
print('*' * 30)
print('1、发送数据')
print('2、接收数据')
print('*' * 30)
fun_num = input('请选择并输入指定数字：\n') # 获取键盘选项数据
# 输入判断
if fun_num == '1':
send_message()
elif fun_num == '2':
recv_message()
else:
print('您输入的数据有误！程序结束')
实现结果
本节运行我们实例中的udp聊天器程序，在虚拟机上用linux上打开网络助手作为UDP客户端。其中，我们的udp聊天器的ip为192.168.234.1,设定绑定的端口号为8888；虚拟机上的linux系统的ip为192.168.234.129，设定服务器端口号为8080。 从下图的结果可以看到，选择不同的选项会进入不同的模块，来完成指定功能。此时我们便完成了udp的基本学习。
2.7 小结
