Go语言UDP网络程序设计

UDP 和上一节《TCP网络程序设计》中的 TCP 一样，也工作在网络传输层，但和 TCP 不同的是，它提供不可靠的通信服务。UDP 网络编程也为 C-S 模式，要设计一个服务器，一个或多个客户机。

另外，UDP 是不保证可靠性的通信协议，所以客户机和服务器之间只要建立连接，就可以直接通信，而不用调用 Aceept() 进行连接确认。本节将详细讲解 UDP 网络编程服务器、客户机的设计原理和设计过程。

UDPAddr 地址结构体

在进行 UDP 网络编程时，服务器或客户机的地址使用 UDPAddr 地址结构体表示，UDPAddr 包含两个字段：IP 和 Port，形式如下：

type UDPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}

函数 ResolveUDPAddr() 可以把网络地址转换为 UDPAddr 地址结构，该函数原型定义如下：

func ResolveUDPAddr(net, addr string) (*UDPAddr, error)

在调用函数 ResolveUDPAddr() 时，参数 net 是网络协议名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 addr 是 IP 地址或域名，如果是 IPv6 地址则必须使用“[]”括起来。另外，端口号以“:”的形式跟随在 IP 地址或域名的后面，端口是可选的。

函数 ResolveUDPAddr() 调用成功后返回一个指向 UDPAddr 结构体的指针，否则返回一个错误类型。

另外，UDPAddr 地址对象还有两个方法：Network() 和 String()，Network() 方法用于返回 UDPAddr 地址对象的网络协议名，比如“udp”；String() 方法可以将 UDPAddr 地址转换成字符串形式。这两个方法原型定义如下：

func (a *UDPAddr) Network() string
func (a *UDPAddr) String() string

UDPConn 对象

在进行 UDP 网络编程时，客户机和服务器之间是通过 UDPConn 对象实现连接的，UDPConn 是 Conn 接口的实现。UDPConn 对象绑定了服务器的网络协议和地址信息。UDPConn 对象定义如下：

type UDPConn struct {
    //空结构
}

通过 UDPConn 连接对象在客户机和服务器之间进行通信，UDP 并不能保证通信的可靠性和有序性，这些都要由程序员来处理。为此，TCPConn 对象提供了 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法，这两个方法直接使用远端主机地址进行数据发送和接收，即便在链路失效的情况下，通信操作都能正常进行。

ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法的原型定义如下：

func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err error)
func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (int, error)

ReadFromUDP() 方法调用成功后返回接收字节数和发送方地址，否则返回一个错误类型；WriteToUDP() 方法调用成功后返回发送字节数，否则返回一个错误类型。

UDP 服务器设计

在 UDP 网络编程中，服务器工作过程如下：

1) UDP 服务器首先注册一个公知端口，然后调用 ListenUDP() 函数在这个端口上创建一个 UDPConn 连接对象，并在该对象上和客户机建立不可靠连接。

2) 如果服务器和某个客户机建立了 UDPConn 连接，就可以使用该对象的 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法相互通信了。

3) 不管上一次通信是否完成或正常，UDP 服务器依然会接受下一次连接请求。

函数 ListenUDP() 原型定义如下：

func ListenUDP(net sting, laddr *UDPAddr) (*UDPConn, error)

在调用函数 ListenUDP() 时，参数 net 是网络协议名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 laddr 是服务器本地地址，可以是任意活动的主机地址，或者是内部测试地址“127.0.0.1”。该函数调用成功，返回一个 UDPConn 对象；调用失败，返回一个错误类型。

【示例 1】UDP Server 端设计，服务器使用本地地址，服务端口号为 5001。服务器设计工作模式采用循环服务器，对每一个连接请求调用线程 handleClient 来处理。

//UDP Server 端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    service := ":5001"
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)
    checkError(err)
    for {
        handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn *net.UDPConn) {
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    if err != nil {
        return
    }
    fmt.Println("Receive from client", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.WriteToUDP([]byte("Welcome Client!"), addr)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

UDP 客户机设计

在 UDP 网络编程中，客户机工作过程如下：

1) UDP 客户机在获取了服务器的服务端口号和服务地址之后，可以调用 DialUDP() 函数向服务器发出连接请求，如果请求成功会返回 UDPConn 对象。

2) 客户机可以直接调用 UDPConn 对象的 ReadFromUDP() 方法或 WriteToUDP() 方法，与服务器进行通信活动。

3) 通信完成后，客户机调用 Close() 方法关闭 UDPConn 连接，断开通信链路。

函数 DialUDP() 原型定义如下：

func DialUDP(net string, laddr, raddr *UDPAddr)(*UDPConn, error)

在调用函数 DialUDP() 时，参数 net 是网络协议名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。参数 laddr 是本地主机地址，可以设为 nil。参数 raddr 是对方主机地址，必须指定不能省略。函数调用成功后，返回 UDPConn 对象；调用失败，返回一个错误类型。

方法 Close() 的原型定义如下：

func (c *UDPConn) Close() error

该方法调用成功后，关闭 UDPConn 连接；调用失败，返回一个错误类型。

【示例 2】UDP Client 端设计，客户机通过内部测试地址“127.0.0.1”和端口 5001 和服务器建立通信连接。

// UDP Client端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port", os.Args[0])
    }
    service := os.Args[1]
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialUDP("udp", nil, udpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("Hello server!"))
    checkError(err)
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    checkError(err)
    fmt.Println("Reply form server", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.Close()
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

编译并运行服务器端和客户端，测试过程如下：

启动服务器：go run .\main.go
客户机连接：go run .\client.go 127.0.0.1:5001
服务器响应：Receive from client 127.0.0.1:53825 Hello server!
客户机接收：Reply form server 127.0.0.1:5001 Welcome Client!

通过测试结果会发现，采用 TCP 时必须先启动服务器，然后才能正常启动客户机，如果服务器中断，则客户机也会异常退出。而采用 UDP 时，客户机和服务器启动没有先后次序，而且即便是服务器异常退出，客户机也能正常工作。

总之，TCP 可以保证客户机、服务器双方按照可靠有序的方式进行通信，但通信效率低；而 UDP 虽然不能保证通信的可靠性，但通信效率要高得多，在有些场合还是非常有用的。