网游中的网络编程3:在UDP上创建虚拟链接
目录
- 网游中的网络编程系列1：UDP vs. TCP
- 网游中的网络编程2:发送和接收数据包
- 网游中的网络编程3:在UDP上创建虚拟链接
- TODO
2、在UDP上创建虚拟链接
介绍
UDP是无链接的，一个UDPsocket能够被用作，与任意数量的计算机交换数据包。然而，在多人游戏中，咱们只但愿在一小部分创建起链接的计算中，交换数据包。html
因此，咱们须要作的第一步就是：在UDP上让两台计算机，创建起虚拟链接。python
可是，首先，咱们先深刻到底层，弄清楚互联网是如何工做的。linux
互联网不是一系列的电话线
在2006年， Senator Ted Stevens作了一个互联网历史上，著名的一次演讲：git
“The internet is not something that you just dump something on. It’s not a big truck. It’s a series of tubes”程序员
当我第一次使用互联网的是：1995年，我在大学的计算机实验室中，我用Netscape浏览器上网，当时漫无目的的瞎逛。github
我当时想：每次连上一个网站，就产生一些“真实的链接”，就像电话线。我十分惊奇，当我每次访问一个新的网站的时候须要花费多少钱？（做者当时认为，每次访问网站都是创建在一条通讯线路之上，就像电话线，须要拉线）不会有人找上门，让我付这些线路的费用吧？编程
固然，这个想法如今看起来很傻。浏览器
没有直接的链接
互联中：没有一条通讯电缆，直接通讯的两台计算机。数据是由IP协议，经过数据包，从一个个电脑传递过来的。（就像传纸条）服务器
一个数据包可能经过几个计算机才能到达目的地。你不能知道准确的传递过程（第一步，第二步。。。），这个过程是会变化的，是根据网络质量决定数据包的下一步走向。你可能发送过两个数据包A和B到同一个地址，它们可能走的是不一样的路线。这个也是数据包无序的一个缘由。网络
在Linux和Unix系统上（win能够用‘tracert’），可使用‘traceroute’指令来查看数据包的传递线路和途径的主机名和IP地址。traceroute请参考
试一下traceroute指令：
traceroute: Warning: baidu.com has multiple addresses; using 220.181.57.217
traceroute to baidu.com (220.181.57.217), 64 hops max, 52 byte packets
1 192.168.1.1 (192.168.1.1) 4.727 ms 4.960 ms 4.144 ms
2 223.20.160.1 (223.20.160.1) 13.405 ms 6.047 ms 8.561 ms
3 218.241.252.185 (218.241.252.185) 4.735 ms 2.130 ms 7.771 ms
4 218.241.252.197 (218.241.252.197) 6.849 ms 5.335 ms 4.555 ms
5 202.99.1.217 (202.99.1.217) 4.025 ms 13.324 ms 3.761 ms
6 * 218.241.244.21 (218.241.244.21) 8.492 ms
218.241.244.9 (218.241.244.9) 5.389 ms
7 218.241.244.33 (218.241.244.33) 6.699 ms 4.851 ms 5.386 ms
8 * * *
注意：第八行是由于有ICMP防火墙，请求被拒绝了，因此没有探测出目的ip地址。
这个过程就能诠释：没有直接的链接。
如何收到数据包
正如第一篇文章，举的那个简单的例子：收到数据包，就像在一个房间，人们手递手传纸条。
互联网是网络的网络（网络的集合）。固然咱们不只在一个小房子中传递信件，咱们能把它传到世界各地。
最好的例子是邮局系统！
当你想要发一封信给别人，你须要把你的信放到邮箱中，同时你会相信会到达收件人的手上。信件怎么到的，你不须要关心，反正到了。总得有人把你的信送到目的地，那么究竟是怎么送到的呢？
首先，邮递员不会拿着你的信，直接送到目的地！邮递员拿着你的信，送到当地邮局，让邮局处理。
若是这封信是本地的，本地的邮局会收过来，安排让另一个邮递员直接送到目的地。可是，若是信的地址不是本地的，那么本地的邮局不会直接把信送到目的地，因此邮局会送到上一级（镇邮局送到市邮局），或者送到临近城市的邮局，若是目的地太远就会送到飞机场。信件的传输方式是用大卡车。
咱们来看一个例子：假定一封信，从洛杉矶寄到北京，本地邮局接收到信，而后发现是国际信件，就直接送到洛杉矶的邮件中心。这封信，确认收件的地址无误，就安排到下一班飞机飞往北京的航班。
飞机着陆在北京，北京的邮件系统确定是和洛杉矶的邮件系统不同。北京的邮件中心收到这封信后，就送到具体的区级的当地邮局，最终，这封信会经过一个邮递员直接送到收件人的手里。
就像邮局系统，经过地址传递信件同样。网络传递数据包是经过IP地址。传递数据包的细节和路径选择是很是复杂的，可是基本思想：每一个路由器都是一台计算机，由路由表决定数据下一步走的地址。(这部分我省略了一些路由和路由表的部分，我没有看懂，后面研究明白，回来再补全。如今不影响后面的阅读)
编辑路由表的工做是网络管理员的工做，不是咱们这些程序员关心的问题（还好😋）。可是，若是你想了解更多关于这方面的知识，能够看看下面这些文章：
- ars technica：讲网络如何交换数据包和传输的细节
- routing tables
- border gateway protocol
虚拟链接
如今回到链接的话题上。
若是你使用TCP socket，你知道它是面向链接的，看起来像一个‘链接’。可是TCP是创建在IP协议上的，而IP协议只是数据包在计算机之间传递（并无链接的概念），因此TCP的链接概念必定是：虚拟链接。
若是TCP能够创建再IP上创建虚拟的链接，那么咱们也能在UDP上实现虚拟链接。
让咱们定义虚拟链接：两台计算机间传输UDP数据包以固定的速度，如每秒10个包。只要数据包传输流畅，咱们就认为：两个计算机创建起了虚拟链接。
链接分为两部分：
- 监听计算机连入，咱们称这个计算机为‘服务器’。
- 经过IP地址和端口链接服务器的计算机，咱们成为‘客户端’。
咱们把场景设定为（先设定简单的场景，一点点来）：不论什么时候，咱们只容许一个客户端链接服务器。同时，咱们假定服务器的IP地址不变，客户端是直接链接服务器。后面的文章再说支持多个客户端链接的例子等，如今先现实咱们限定条件下，简单的虚拟链接，这样能够更好的理解虚拟链接。
协议id
UDP是无链接的，UDP socket会接收任意计算机发来的数据包。
咱们将限定：服务器只从客户端接收数据包，客户端只给服务器发送数据包（一对一）。咱们不能经过地址过滤数据包，由于服务器不知道客户端的地址（python中socket能够经过recvfrom方法获得地址）。因此咱们在每一个UDP数据包加一个‘头信息’，由32位protocol id组成：
[uint protocol id] (packet data...)
protocol id只是一些惟一的数字。若是数据包的protocol id不能匹配咱们的protocol id，数据包就被忽略。若是protocol id匹配，咱们就接收packet data。
你只须要选择惟一的数字，能够用hash你的游戏名字和协议版本数字。你也能够用任何信息当作protocol id，须要保证protocol id的惟一性，由于这个protocol id是咱们链接协议的基础。
检测链接
如今咱们须要一个检查链接的方法。
固然咱们能够作一些复杂的握手，此过程须要发送和接收多个UDP数据包。或许客户端‘请求链接’数据包，发送服务器，服务器响应返回给客户端‘链接接受’，或者若是客户端请求与，已经和其余客户端创建起链接的服务器，创建链接，则服务器就会返回给客户端‘忙碌中’。
或者，咱们可让服务器检查接收到的第一个数据包的protocol id是否正确，而后考虑是否创建链接。
客户端假定与服务器创建起链接，而后给服务器发送数据包。当服务器接受到客户端发来的第一个数据包，就记下该客户端的IP地址和端口号，最后，返回响应数据包。
客户端已经知道服务器的地址和端口。因此，当客户端接受数据包，客户端会过滤掉任何不是服务器地址的请求。一样，服务器接收到客户端的第一个数据包，经过recvfrom方法，能获取到客户端的IP地址和端口。因此服务器也能够忽略不来自指定客户端的任何数据包。
咱们可使用这个简洁的方式，由于咱们只须要在两台计算机之间创建链接。在后面的文章中，咱们会升级咱们的链接系统，用于支持两个以上的计算机链接，而且使得链接更加健壮。
（就是与特定ip地址和端口的计算机进行传输数据）
检测断开链接
咱们如何检测断开链接？
若是一个链接被定为接收数据包，那么断开链接就能够定义为不接收数据包。
为了查明咱们没有接受数据包，服务器和客户端两边都计算：从上一次接收到数据包的开始，到下一个接收到数据包的时间。（也就是所谓的‘超时时间’）
每次若是咱们接收到数据包，就重置计时器（’超时时间’清零）。若是计时器超过设定的值，侧链接‘超时’，咱们就是断开链接（再也不限制链接客户端的IP和端口）。
这也是一种优雅的方式用来处理，第二个客户端请求已创建链接的服务器的状况。创建起链接的服务器不会接收来自其余客户端的数据包，因此第二个客户端接收不到服务器响应的数据包，因此第二个客户端链接超时并处于断开链接的状态。
总结
这些就是创建虚拟链接的过程：创建链接，过滤不是来自链接的计算机的数据包，检查断开链接，设定超时。
咱们的创建的链接跟其余TCP链接同样，稳定的UDP数据包传输是多人动做游戏的基础。
目前为止，已经在UDP上创建虚拟的链接，你就可使用它来进行多人游戏中的，client/server模式下的数据传输，来替代TCP。
python实现
仍是推荐看，英文原文中的源代码
看完理论部分，下面我就用python根据上述原理实现：我写的UDP上实现虚拟链接只作了两件事：每次只能有一个socket和server进行通讯；若是在一段时间无数据传输，则注销掉原来的链接，容许创建新的链接。
注：下面代码中不少细节没有处理，仅供你们参考。
- protocol id：我打算用时间戳hash一个字符串
- 监测断开链接：经过
settimeout()方法，捕获socket.timeout异常
test_server.py
#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#
# Author : XueWeiHan
# E-mail : 595666367@qq.com
# Date : 16/5/11 下午3:54
# Desc : server
import socket
import time
UDP_IP = ''
UDP_PORT = 5000
_ID = [] # 存储创建链接的protocol_id
_IP = None # 存储创建链接的IP和端口
TIME_OUT = 2 # 超时时间(s)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind((UDP_IP, UDP_PORT))
sock.settimeout(TIME_OUT)
def check_protocol_id(protocol_id, _ID):
'''
检测protocol_id
'''
if _ID:
if protocol_id in _ID:
return True
else:
return False
else:
_ID.append(protocol_id)
return True
print '准备接收内容。'
while 1:
try:
response = ''
data, addr = sock.recvfrom(1024) # 缓冲区大小为1024bytes
protocol_id, data = data.split('|')
if _IP:
if _IP == addr:
response = '创建链接'
print '从{ip}:{port}，接收到内容：{data}'.format(ip=addr[0],
port=addr[1], data=data)
else:
response = '没法创建链接'
else:
if check_protocol_id(protocol_id, _ID):
_IP = addr
response = '创建链接'
print '从{ip}:{port}，接收到内容：{data}'.format(ip=addr[0],
port=addr[1], data=data)
else:
response = '没法创建链接'
# 返回响应数据包给客户端
sock.sendto(response, addr)
except socket.timeout:
print '链接超时，注销链接，其余socket能够连入'
_IP = None
_ID = []
test_client.py
#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#
# Author : XueWeiHan
# E-mail : 595666367@qq.com
# Date : 16/5/11 下午3:54
# Desc : client
import socket
import time
import hashlib
UDP_IP = ''
UDP_PORT = 5000
MESSAGE = 'Hello, world!'
TIME_OUT = 3
print 'UDP 目标IP：', UDP_IP
print 'UDP 目标端口：', UDP_PORT
print '发送的内容：', MESSAGE
class Udp(object):
def __init__(self):
self.socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
self.server_addr = None
# 设置超时时间
self.socket.settimeout(TIME_OUT)
@property
def protocol_id(self):
hash = hashlib.md5(str(time.time()) + 'xueweihan')
return hash.hexdigest()
def send_mesaage(self):
# 这里只简单用｜分割protocol_id和发送内容
message = self.protocol_id +'|'+ MESSAGE
self.socket.sendto(message, (UDP_IP, UDP_PORT))
def get_message(self):
data, addr = self.socket.recvfrom(1024)
if self.server_addr:
# 客户端也只接收创建链接的服务端的数据包
if self.server_addr == addr:
return data
else:
return None
else:
self.server_addr = addr
return data
s1 = Udp()
for i in range(2):
try:
s1.send_mesaage()
print s1.get_message()
except socket.timeout:
print '链接超时'
# 清除原来创建链接的数据
s1.server_addr = None
s2 = Udp()
for i in range(2):
# 此时是没法创建链接的，由于上一个链接尚未销毁
try:
s2.send_mesaage()
print s2.get_message()
except socket.timeout:
print '链接超时'
# 清除原来创建链接的数据
s2.server_addr = None
# 暂停2秒，等待服务器注销上一次的链接
time.sleep(2)
s3 = Udp()
for i in range(2):
# 此时是能够创建链接的，由于上面链接以超时
try:
s3.send_mesaage()
print s3.get_message()
except socket.timeout:
print '链接超时'
# 清除原来创建链接的数据
s3.server_addr = None
上面代码还有不少不足的地方（TODO：超时，部分有问题），因此仅供参考。全部代码都在github上，代码运行效果以下：
- 1. Windows网络编程（四）：创建UDP链接和收发消息
- 2. java网络编程（3）——UDP
- 3. 网络编程上（UDP）
- 4. python网络编程——UDP网络编程
- 5. ovirt创建的虚拟机在桥接模式下，虚拟机网络不通
- 6. 网游中的网络编程系列1：UDP vs. TCP
- 7. C语言网络编程（二）创建套接字通信UDP
- 8. VMware虚拟机的网络链接
- 9. 网络编程-udp
- 10. 网络编程UDP
- 更多相关文章...
- • netwox网络工具集入门教程 - TCP/IP教程
- • DTD - 来自网络的实例 - DTD 教程
- • 互联网组织的未来：剖析GitHub员工的任性之源
- • TiDB 在摩拜单车在线数据业务的应用和实践
-
每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。