基于UDP协议的GUI聊天室-Python-Linux

1. 设计题目

基于 UDP 协议的 GUI 聊天室实现

2. 开发环境

Windows 10
阿里云 ECS 服务器 ubuntu_18_04_x64（无图形化界面）

3. 开发工具

FinalShell 3.0.10
Idle (Python 3.7.3 Shell)
ecs-workbench 工作台

4. 设计思想

4.1 服务器、系统、编程语言的选择

服务器这里选择的是阿里云 ECS(Elastic Compute Service)，是一种弹性可伸缩的计算服务，支持根据业务波动随时扩展和释放资源，简单概括其优点：

提供虚拟防火墙、角色权限控制、内网隔离、防病毒攻击及流量监控等多重安全方案；
支持通过内网访问其他阿里云服务，形成丰富的行业解决方案，降低公网流量成本;
提供行业通用标准 API，提高易用性和适用性。

系统这里选择的是基于 Linux 内核的 Ubuntu 系统，简单概括六个优点：

免费开源；
安全稳定；
模块化程度高；
Liunx 系统广泛的硬件支持；
多用户，多任务；
良好的可移植性。

编程语言选择 Python，其优点有：

易于阅读和维护
有一个广泛的标准库
python 支持各种主流数据库之间的交互
可扩展性和可移植性
GUI 编程【图形化界面】
可嵌入型【可以将 python 程序嵌入到 c++中】

4.2 GUI(图形用户界面)实现工具

Python 的 GUI 可以通过 Tkinter、PyQt、wxPython、PySide 等实现。

Tkinter 是 Python 的标准 Tk GUI 工具包的接口，实现较为简单；
PyQt 是由 Python 语言调用 Qt 图形库实现的一个 Python 模块集，具有 300 多个类，近 6000 个函数和方法，分为 GPL 版本和商业版；
wxPython 是跨平台 GUI库 wxWidgets 进行 Python 封装后以 Python 模块形式提供给用户；
PySide 是 PyQt 的 LGPL 版本，提供与 PyQt 类似的功能与 API 函数。这些实现 Python GUI 的模块都可以运行在 UNIX、Linux、Windows、Mac 等主流操作系统之上。

我这里选择实现较为简单的 Tkinter。

4.3 OSI 体系中传输层协议的选择

传输层协议有 TCP、UDP 协议，先了解一下他们：

TCP 协议：是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议；
UDP 协议：用户数据报协议，无连接、不可靠。

TCP 与 UDP 基本区别：

基于连接与无连接。
TCP 要求系统资源较多，UDP 较少。
UDP 程序结构较简单。
流模式（TCP）与数据报模式(UDP)。
TCP 保证数据正确性，UDP 可能丢包。
TCP 保证数据顺序，UDP 不保证。
TCP 面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。
TCP 提供可靠的服务，传送的数据，无差错，不丢失，不重复; UDP 尽最大努力交付，即不保证可靠交付。
TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP 是面向报文的，UDP 没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如 IP 电话，实时视频会议等）。
每一条 TCP 连接只能是点到点的;UDP 支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
TCP 的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP 则是不可靠信道。

那么我们做聊天室用那种比较好呢，我先去了解了全国最大的社交平台之一 QQ 是如何使用协议的，查阅了一些博客，简单概括就是 UDP 为主 TCP 为辅：

用户实际上通过服务器交互，UDP 减少服务负担；
超高的并发量，海量的数据包，以效率优先，使用 UDP 协议依靠辅助的算法完成较为可靠的传输控制；
网络环境复杂，UDP 包能够穿透大部分的代理服务器；
登陆 QQ 后，依靠 TCP 连接保持在线状态。
对业务可靠性要求高的用 TCP 协议，不高的用 UDP 协议。

本次实验使用 UDP 协议实现简单的 GUI 聊天室。

4.4 程序的并发

GUI 聊天室支持多人在线聊天，所以程序一定是多进程/多线程并发的，每个进程或者线程负责与一个客户端通讯。Python 中内置了多线程功能支持，封装了对底层操作系统的调度方式，简化了 Python 的多线程编程，我们这里直接使用 socketserver 中的 Threading 模块来完成线程的实现。都说python的线程是假线程，很鸡肋，我不太了解python虚拟机，不多说了。

5. 设计步骤

5.1 访问规则之开通 UDP 协议

首先，阿里云 ECS 服务器默认没有对 UDP 协议授权。要使用 UDP 协议进行通讯就要开通 UDP 协议并设置端口范围。
在云服务器管理控制台，点击网络与安全→安全组：
在这里插入图片描述
在安全组列表选择一个实例进行修改，在访问规则中进行手动添加，设置协议类型，端口范围，优先级等等，根据提示完成操作即可。

5.2 服务器端程序实现

对于简单多人聊天室的设计，这里首先考虑对客户端的身份进行判断，是否为新用户，然后进行不同的响应，最后广播给每一个在线的客户端。

# -*- coding: utf-8 -*-
import socketserver
#继承DatagramRequestHandler重写handle
class Chat_server(socketserver.DatagramRequestHandler):
    def handle(self):
        try:
            (data_b,conn)=self.request
            addr = self.client_address
            print('data_b=',data_b)
            #判断是否为新接收的客户端
            if addrs.count(addr)==0:
                conns.append(conn)
                addrs.append(addr)
                name_s=data_b.decode('utf-8')
               #调用字典类型函数，将组成的键值对放入字典
                users.setdefault(addr,name_s)
                data='Welcome '+name_s+'!'
                data_s=''
            else:
                name_s=users.get(addr)
                data_s=data_b.decode('utf-8')
                data=name_s+': '+data_s
                print('data=',data)
                data_b = data.encode('utf-8')
            #将两个列表组合成元组
            for cn in zip(conns,addrs):
                cn[0].sendto(data_b,cn[1])
            if data_s.upper()[0:3]=='BYE':
                print('%s is exited!' % name_s)
                #删除连接客户端的对象conn
                conns.remove(conn)
                addrs.remove(addr)
                #删除以addr为键的数据
                del(users[addr])
        except Exception as e:
            print('Error is ',e)
#定义列表变量，存储与客户端的连接对象conn
conns=[]
#定义列表变量，存储客户端的地址
addrs=[]
#定义字典变量，存储与客户端的连接对象conn和客户端用户名称name_s
users={}
ip=''
server=socketserver.ThreadingUDPServer((ip,9999),Chat_server)
print('Bind UDP on 9999...')
#以无限循环形式处理客户端请求
server.serve_forever()

5.3 客户端程序实现

对于简单多人聊天室的客户端，首先考虑设计 GUI(图形用户界面)，要有输入框，消息显示框，控制消息发送的按钮，和显示框的滑动条。对于消息发送的控制，这里设计一个命令按钮的事件响应函数进行消息发送的控制，对于消息接收要使接收到的数据可视化。

import socket
import threading
import tkinter as tk
import sys
#命令按钮的事件响应函数
def send_msg():
    #从字符串对象中获取按钮的文本
    txt=bt_txt.get()
    if txt=='Logon':
        #设置按钮文本
        bt_txt.set('Send')
    msg=et_txt.get().strip()
    et_txt.set('')
    print('msg=',msg)
    #将msg内容转化为bytes字节流并保存在msg_b
    msg_b=msg.encode('utf-8')
    #向服务器发送消息
    client.sendto(msg_b, (ip, 9999))
    #判断前三个字符
    if msg.upper()[0:3]=='BYE':
        #设置按钮状态，不在响应鼠标单击
        chat_send.config(state=tk.DISABLED)
        client.close()
        sys.exit(0)
#该函数为线程执行代码，用于从服务器接收消息并显示
def receive_msg():
    while True:
        try:
            #接收服务器发来的消息
            (data_b,addr)=client.recvfrom(1024)
            #将字节流数据转换为字符串
            data_s=data_b.decode('utf-8')
            if not data_s:
                continue
            #调试和监测运行
            print('data_s=',data_s)
            #插入列表框第一行
            chat_list.insert(0,data_s)
            #使新插入的数据可视
            chat_list.see(0)
        except Exception as e:
            print('Error is ',e)
            print('Exit!')
            break
ip='服务器端ip地址'
#先在本地测试
#ip='127.0.0.1'
#建立socket对象，SOCK_STREAM为TCP方式，SOCK_DGRAM为UDP方式
client=socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
client.connect_ex((ip,9999))
#创建线程，执行自定义函数receive_msg()
t=threading.Thread(target=receive_msg)
t.start()

#创建窗口root
root=tk.Tk()
root.title('Chatting room')
root.geometry('300x350')
root.resizable(width=False,height=True)
#在窗口root中定义框架fm
fm=tk.Frame(root,width=300,height=300)
#在框架fm中定义滚动条scrl
scrl=tk.Scrollbar(fm)
#在框架fm中定义列表框chat_list
chat_list=tk.Listbox(fm,width=300,selectmode=tk.BROWSE)
#设置列表框chat_list纵向滚动由滚动条scrl控制
chat_list.configure(yscrollcommand=scrl.set)
#设置滚动条scrl的命令响应为列表框chat_list的纵向滚动显示
scrl['command']=chat_list.yview
#定义字符串对象，作为命令按钮的文本连续变量
bt_txt=tk.StringVar(value='Logon')
et_txt=tk.StringVar(value='')
#定义单行编辑框并与et_txt绑定
chat_txt=tk.Entry(root,bd=5,width=280,textvariable=et_txt)
#定义按钮并于bt_txt绑定，事件处理函数为send_msg
chat_send=tk.Button(root,textvariable=bt_txt,command=send_msg)
#定义scrl在框架右侧，以纵向充满方式显示
scrl.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
lb = tk.Label(root,text='')
#显示
chat_txt.pack()
chat_send.pack()
chat_list.pack()
fm.pack()
lb.pack()
#显示主窗口root并接收操作
root.mainloop()

6. 运行结果

这里用了一个 Linux 服务端，四个 Windows 客户端进行测试。首先，三个玩家进入多人聊天室，大家都可以很流畅的交流，中途加入四号，依旧可以流畅的交流，然后 4 号又走了，还是可以很流畅的交流，体验感杠杠的！

下图为整体效果，黑色背景为服务端，三个白色框框为客户端，由于 4 号 byebye 了，所以它的客户端关闭了。

在这里插入图片描述