网络编程原理与UDP实现

如何发送数据包？

Q：当应用程序产生数据的时候，需要去构造数据包并发送到网络上去，但是由谁负责处理呢？

A：现代操作系统负责数据包得构造与发送，应用程序只需提供数据。 当应用程序产生数据时，应用程序将数据交给OS内核，然后在OS内核添加各层的首部，构建好数据包，然后交给网卡，发送到网络中去。

Q：应用程序如何向OS 发送数据呢？

A： OS为程序提供了一个接口，即socket API，类似于系统调用函数。

Q：通过socket API，只需要提供数据吗？

A：并不，还需要告诉OS 内核，目的端口是什么，传输层使用哪种协议（UDP/TCP），目的IP地址。

Q：为什么不需要告诉源端口？

A：因为源端口是当数据进入到OS内核时，OS会为这个应用程序随机开放一个端口，作为源端口。当服务器端收到数据，进行返回时，也从这个端口进行返回。同样源IP地址，OS内核也是选一个网卡出去，这个网卡的地址作为源IP地址。

详情可见下图：

Q：加工数据是包括什么？

A：依次包括添加传输层首部，网络层首部，所以在这里需要告诉传输层的目的端口，以及使用的协议，以及网络层的目的IP地址。然后交给网卡驱动程序，构造数据链路层头部，以及物理层。若想继续详细了解网卡的操作，可参考:网卡工作原理详解，从网卡发送数据再谈TCP/IP协议—网络传输速度计算-网卡构造

了解到上述信息，知道我们要告诉OS 目的IP地址，目的端口，以及数据。

下面是使用python网络编程客户端的代码：

import  socket

ip="127.0.0.1"
port=8090
data = b"hello PsgQ"
sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto(data,(ip,port))

Q： socket函数里面的参数是什么意思？

A： socket.AF_INET表示使用IPv4。socket.SOCK_DGRAM表示传输层使用UDP。

Q：为什么data=b"hello PsgQ"?

A: 因为在网络中传输的是字节流，b前缀将字符串转换成bytes。对于英文字母可以这样转换，但对于中文字符串不行，因为b后面的字符串必须是ascii码可以表示的。若要传递中文字符串，须data=bytes（'哈哈'，encoding='UTF-8'）

具体可参考字符串和编码

c语言版代码随后更新。

如何接收数据包？

网卡驱动程序收到数据，作出校验以及检查完相应的目的MAC地址，交到OS内核。

OS内核 网络层模块 进行解封装，查看IP的目的地址，是不是发给自己的，丢弃IP地址不是自己的数据包。然后查看传输层使用的是什么协议，假如是UDP，之后交给UDP模块处理。

UDP获得数据包后，查看目的端口，发给相应的端口。

Q：应用程序怎么去获得数据阿？

A：每个应用程序想要去接收数据，都需要与相应的端口进行绑定。比如HTTP，默认80端口，DNS默认使用53端口等。即OS内核交付给相应的端口，就意味着交付到某个应用程序（通过socket API）。相当于告诉内核，任何时候只要有数据到达这个端口，可以把数据交给我。具体过程是，OS 内核交给相应的端口的缓冲区，这个缓冲区是与端口进行绑定的。应用程序可从这个缓冲区读取数据。

实际情况可能是：当没有数据时，这个应用程序的socket API会被阻塞掉，但当数据包到达时，OS内核会去激活这个进程。

如下图：

从上述信息了解到，我们在server端要进行绑定端口，因为可能有多个网卡，每个网卡IP地址不同，所以我们也要绑定IP地址等。

下面是使用python网络编程服务器端的代码：

import  socket

ip="0.0.0.0"
port = 8090
sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind((ip,port))

while True:
    data,(ip,port)=sock.recvfrom(1024)
    data=data.decode('ascii')
    print("clinet:{},port:{}".format(ip,port))
    print("Received:{}".format(data))

Q： ip ="0.0.0.0"?

A: 表示 数据包的目的地址可以是任意一个网卡的地址。

Q： data=data.decode('ascii')

A： 因为网络上使用的是字节流，前面客户端将字符串转换成了字节流，在这里使用ascii码进行解码，使字节流重又转换成字符串格式。

注意：调用bind函数 ，参数是（ip，port）

最终运行结果：