Python UDP 编程

UDP 协议简介

本教程假定你已经学习过 TCP/IP UDP 相关的计算机网络相关知识，这里对这些基础知识只做简单提及。

UDP（用户数据报协议）是一种无连接的传输协议，它提供了简单快速的数据传输机制。与TCP不同，UDP不保证数据的可靠传输，但具有更低的延迟和更少的开销。

UDP 与 TCP 的主要区别

UDP 通信流程

服务端流程

1. 创建 UDP Socket：使用 SOCK_DGRAM 类型
2. 绑定地址和端口：指定监听的地址和端口
3. 接收数据：等待客户端发送数据包
4. 处理数据：解析接收到的数据
5. 发送响应：向客户端发送回应（可选）
6. 继续监听：重复接收数据的过程

客户端流程

1. 创建 UDP Socket：创建socket对象
2. 发送数据：直接向目标地址发送数据包
3. 接收响应：等待服务器的回应（如果需要）
4. 关闭连接：释放socket资源

Python UDP Socket 编程

Python 使用 socket 模块进行 UDP 编程，关键是使用 socket.SOCK_DGRAM 类型创建数据报套接字。

核心方法

• sendto(data, address)：发送数据到指定地址
• recvfrom(buffer_size)：接收数据，返回数据和发送方地址
• bind(address)：绑定本地地址和端口

UDP 时间服务器示例

服务端代码

import socket
import time
from datetime import datetime

def start_udp_server():
    """启动 UDP 时间服务器"""
    # 创建 UDP socket
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    # 绑定地址和端口
    host = 'localhost'
    port = 9999
    server_address = (host, port)
    server_socket.bind(server_address)
    
    print(f"UDP 服务器启动，监听 {host}:{port}")
    print("等待客户端请求...")
    
    try:
        while True:
            # 接收客户端数据和地址信息
            data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
            
            # 解码接收到的消息
            message = data.decode('utf-8')
            print(f"收到来自 {client_address} 的请求: {message}")
            
            # 根据请求类型提供不同服务
            if message.lower() == 'time':
                # 获取当前时间
                current_time = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
                response = f"当前时间: {current_time}"
            elif message.lower() == 'timestamp':
                # 获取时间戳
                timestamp = int(time.time())
                response = f"时间戳: {timestamp}"
            elif message.lower() == 'date':
                # 获取当前日期
                current_date = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d")
                response = f"当前日期: {current_date}"
            else:
                response = "未知命令，支持的命令: time, timestamp, date"
            
            # 发送响应给客户端
            server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_address)
            print(f"已向 {client_address} 发送响应: {response}")
            
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n服务器正在关闭...")
    except Exception as e:
        print(f"服务器错误: {e}")
    finally:
        server_socket.close()
        print("UDP 服务器已关闭")

if __name__ == "__main__":
    start_udp_server()

客户端代码

import socket
import time

def start_udp_client():
    """启动 UDP 客户端"""
    # 创建 UDP socket
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    # 设置超时时间（5秒）
    client_socket.settimeout(5.0)
    
    # 服务器地址
    server_host = 'localhost'
    server_port = 9999
    server_address = (server_host, server_port)
    
    print(f"UDP 客户端启动，目标服务器: {server_host}:{server_port}")
    print("支持的命令: time, timestamp, date")
    print("输入 'quit' 退出程序")
    
    try:
        while True:
            # 获取用户输入
            command = input("\n请输入命令: ").strip()
            
            if command.lower() == 'quit':
                break
            
            if not command:
                print("命令不能为空")
                continue
            
            try:
                # 发送命令到服务器
                client_socket.sendto(command.encode('utf-8'), server_address)
                print(f"已发送命令: {command}")
                
                # 接收服务器响应
                response_data, server_addr = client_socket.recvfrom(1024)
                response = response_data.decode('utf-8')
                print(f"服务器响应: {response}")
                
            except socket.timeout:
                print("请求超时，服务器可能未响应")
            except Exception as e:
                print(f"通信错误: {e}")
                
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n客户端正在退出...")
    finally:
        client_socket.close()
        print("UDP 客户端已关闭")

if __name__ == "__main__":
    start_udp_client()

UDP 编程关键知识点

1. 数据报特性

# UDP 每次发送都是独立的数据包
data, address = socket.recvfrom(1024)  # 同时获取数据和发送方地址
socket.sendto(data, address)           # 发送数据到指定地址

2. 无连接特性

UDP 不需要建立连接，客户端可以直接向任何地址发送数据，服务端也可以向任何地址发送响应。

3. 超时设置

socket.settimeout(5.0)  # 设置5秒超时

UDP 通信建议设置超时，防止程序无限等待。

4. 缓冲区大小

recvfrom(1024) 中的1024是缓冲区大小，应根据实际数据大小调整。

UDP 应用场景

• 实时游戏：需要低延迟的数据传输
• 视频流媒体：可以容忍少量数据丢失
• DNS 查询：简单的请求-响应模式
• 网络广播：向多个接收者发送相同数据
• 物联网设备：资源受限的设备通信

注意事项

• 数据丢失：UDP不保证数据到达，重要数据需要应用层确认
• 顺序问题：数据包可能乱序到达
• 大小限制：UDP数据包有大小限制（理论上64KB，实际建议小于1500字节）
• 防火墙：确保UDP端口没有被防火墙阻止
• 错误处理：由于UDP的不可靠性，需要更完善的错误处理机制

UDP编程相比TCP更简单直接，但需要开发者自行处理可靠性问题。选择UDP还是TCP取决于应用的具体需求和对数据可靠性的要求。