Go語言UDP網路程式設計

UDP 和上一節《TCP網路程式設計》中的 TCP 一樣，也工作在網路傳輸層，但和 TCP 不同的是，它提供不可靠的通訊服務。UDP 網路程式設計也為 C-S 模式，要設計一個伺服器，一個或多個客戶機。

另外，UDP 是不保證可靠性的通訊協定，所以客戶機和伺服器之間只要建立連線，就可以直接通訊，而不用呼叫 Aceept() 進行連線確認。本節將詳細講解 UDP 網路程式設計伺服器、客戶機的設計原理和設計過程。

UDPAddr 地址結構體

在進行 UDP 網路程式設計時，伺服器或客戶機的地址使用 UDPAddr 地址結構體表示，UDPAddr 包含兩個欄位：IP 和 Port，形式如下：

type UDPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}

函數 ResolveUDPAddr() 可以把網路地址轉換為 UDPAddr 地址結構，該函數原型定義如下：

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

在呼叫函數 ResolveUDPAddr() 時，引數 net 是網路協定名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。引數 addr 是 IP 地址或域名，如果是 IPv6 地址則必須使用“[]”括起來。另外，埠號以“:”的形式跟隨在 IP 地址或域名的後面，埠是可選的。

函數 ResolveUDPAddr() 呼叫成功後返回一個指向 UDPAddr 結構體的指標，否則返回一個錯誤型別。

另外，UDPAddr 地址物件還有兩個方法：Network() 和 String()，Network() 方法用於返回 UDPAddr 地址物件的網路協定名，比如“udp”；String() 方法可以將 UDPAddr 地址轉換成字串形式。這兩個方法原型定義如下：

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

UDPConn 物件

在進行 UDP 網路程式設計時，客戶機和伺服器之間是通過 UDPConn 物件實現連線的，UDPConn 是 Conn 介面的實現。UDPConn 物件系結了伺服器的網路協定和地址資訊。UDPConn 物件定義如下：

type UDPConn struct {
    //空結構
}

通過 UDPConn 連線物件在客戶機和伺服器之間進行通訊，UDP 並不能保證通訊的可靠性和有序性，這些都要由程式設計師來處理。為此，TCPConn 物件提供了 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法，這兩個方法直接使用遠端主機地址進行資料傳送和接收，即便在鏈路失效的情況下，通訊操作都能正常進行。

ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法的原型定義如下：

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

ReadFromUDP() 方法呼叫成功後返回接收位元組數和傳送方地址，否則返回一個錯誤型別；WriteToUDP() 方法呼叫成功後返回傳送位元組數，否則返回一個錯誤型別。

UDP 伺服器設計

在 UDP 網路程式設計中，伺服器工作過程如下：

1) UDP 伺服器首先註冊一個公知埠，然後呼叫 ListenUDP() 函數在這個埠上建立一個 UDPConn 連線物件，並在該物件上和客戶機建立不可靠連線。

2) 如果伺服器和某個客戶機建立了 UDPConn 連線，就可以使用該物件的 ReadFromUDP() 方法和 WriteToUDP() 方法相互通訊了。

3) 不管上一次通訊是否完成或正常，UDP 伺服器依然會接受下一次連線請求。

函數 ListenUDP() 原型定義如下：

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

在呼叫函數 ListenUDP() 時，引數 net 是網路協定名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。引數 laddr 是伺服器本地地址，可以是任意活動的主機地址，或者是內部測試地址“127.0.0.1”。該函數呼叫成功，返回一個 UDPConn 物件；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

【範例 1】UDP Server 端設計，伺服器使用本地地址，伺服器端口號為 5001。伺服器設計工作模式採用迴圈伺服器，對每一個連線請求呼叫執行緒 handleClient 來處理。

//UDP Server 端設計
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 客戶機設計

在 UDP 網路程式設計中，客戶機工作過程如下：

1) UDP 客戶機在獲取了伺服器的伺服器端口號和服務地址之後，可以呼叫 DialUDP() 函數向伺服器發出連線請求，如果請求成功會返回 UDPConn 物件。

2) 客戶機可以直接呼叫 UDPConn 物件的 ReadFromUDP() 方法或 WriteToUDP() 方法，與伺服器進行通訊活動。

3) 通訊完成後，客戶機呼叫 Close() 方法關閉 UDPConn 連線，斷開通訊鏈路。

函數 DialUDP() 原型定義如下：

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

在呼叫函數 DialUDP() 時，引數 net 是網路協定名，可以是“udp”、“udp4”或“udp6”。引數 laddr 是本地主機地址，可以設為 nil。引數 raddr 是對方主機地址，必須指定不能省略。函數呼叫成功後，返回 UDPConn 物件；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

方法 Close() 的原型定義如下：

func (c *UDPConn) Close() error

該方法呼叫成功後，關閉 UDPConn 連線；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

【範例 2】UDP Client 端設計，客戶機通過內部測試地址“127.0.0.1”和埠 5001 和伺服器建立通訊連線。

// UDP Client端設計
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)
    }
}

編譯並執行伺服器端和用戶端，測試過程如下：

啟動伺服器：go run .main.go
客戶機連線：go run .client.go 127.0.0.1:5001
伺服器響應：Receive from client 127.0.0.1:53825 Hello server!
客戶機接收：Reply form server 127.0.0.1:5001 Welcome Client!

通過測試結果會發現，採用 TCP 時必須先啟動伺服器，然後才能正常啟動客戶機，如果伺服器中斷，則客戶機也會異常退出。而採用 UDP 時，客戶機和伺服器啟動沒有先後次序，而且即便是伺服器異常退出，客戶機也能正常工作。

總之，TCP 可以保證客戶機、伺服器雙方按照可靠有序的方式進行通訊，但通訊效率低；而 UDP 雖然不能保證通訊的可靠性，但通訊效率要高得多，在有些場合還是非常有用的。