博客

【Python网络编程】TCP和UDP的使用（附实例）

  • Post author:
  • Post category:python




一、网络编程

计算机网络是把各个计算机连接到一起，让网络中的计算机可以互相通信。网络编程就是如何在程序中实现两台计算机的通信。

举个例子，当你使用浏览器访问新浪网时，你的计算机就和新浪的某台服务器通过互联网连接起来了，然后，新浪的服务器把网页内容作为数据通过互联网传输到你的电脑上。

由于你的电脑上可能不止浏览器，还有QQ、Skype、Dropbox、邮件客户端等，不同的程序连接的别的计算机也会不同，所以，更确切地说，网络通信是两台计算机上的两个进程之间的通信。比如，浏览器进程和新浪服务器上的某个Web服务进程在通信，而QQ进程是和腾讯的某个服务器上的某个进程在通信。网络编程对所有开发语言都是一样的，Python也不例外。用Python进行网络编程，就是在Python程序本身这个进程内，连接别的服务器进程的通信端口进行通信。

因为互联网协议包含了上百种协议标准，但是最重要的两个协议是TCP和IP协议，所以，TCP编程和UDP编程是最主要的两种网络类型的编程。



二、Socket的定义

Socket又称 ‘套接字’，是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示 ‘打开了一个网络链接’，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求，使主机间或者一台计算机上的进程间可以通讯。

在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。



三、连接过程

根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

1）服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。

2）客户端请求：是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

3）连接确认：当服务器端套接字监听到或者接收到客户端套接字的连接请求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。此时服务器端的套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。



四、基于TCP协议的Socket编程

大多数连接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器。

TCP协议则是建立在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过三次握手建立连接，然后，对每个IP包编号，确保对方按顺序收到，如果包丢掉了，就自动重发。许多常用的更高级的协议都是建立在TCP协议基础上的，比如用于浏览器的HTTP协议、发送邮件的SMTP协议等。

一个TCP报文除了包含要传输的数据外，还包含源IP地址和目标IP地址，源端口和目标端口。

端口有什么作用？在两台计算机通信时，只发IP地址是不够的，因为同一台计算机上跑着多个网络程序。一个TCP报文来了之后，到底是交给浏览器还是QQ，就需要端口号来区分。每个网络程序都向操作系统申请唯一的端口号，这样，两个进程在两台计算机之间建立网络连接就需要各自的IP地址和各自的端口号。这也就是为什么在TCP编程和UDP编程中需要绑定地址的原因。


  • 基于TCP协议的Socket通信流程

下面用实例来帮助大家理解基于TCP协议的socket通信过程。该程序由客户端远程向服务器端发送命令，服务器端执行并且将执行结果发给客户端。


  • 服务器
     
#TCP服务器编程  
import socket              #导入 socket 模块
import os 

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)   #创建一个socket
s.bind(('0.0.0.0',1000))   #绑定地址（host,port）到套接字,在AF_INET下,以元组（host,port）的形式表示地址。
s.listen(5)                #调用listen方法开始监听端口，传入的参数为操作系统可以挂起的最大连接数量，一般设为5

sock,addr=s.accept()       #被动接受TCP客户端连接,等待连接的到来
for i in range(10):
    cmd = sock.recv(1024)  #接收TCP数据，数据以字符串形式返回;'1024'表示每次接收的最大数据量
    print(cmd)
    command = cmd.decode()

    if command.startswith("cd"):        #远程控制不能执行cd命令，需单独处理
        os.chdir(command[2:].strip())   #切换路径
        result=os.getcwd()              #显示路径
    elif command=='exit':               
        break 
    else:
        result=os.popen(command).read() #如果接收的命令不是以'cd'开头的，则直接执行命令

    if result:    
        sock.send(result.encode())      #如果执行的结果有返回值，则将结果返回给客户端
    else:
        sock.send(b'OK!')               #如果执行的结果无返回值，则给客户端发送'OK'

s.close()                               #关闭连接

  • 客户端
     
#TCP客户端编程--socket  作者：成纤纤
import socket                  #导入socket模块
import os

s=socket.socket()              #创建一个socket对象
s.connect(("127.0.0.1",1000))  #主动初始化TCP服务器连接，一般以元组（host,port）的形式表示地址。
for i in range(10):
    com=input("输入命令：")
    if com=='exit':            
        s.send(b'exit')        #发送TCP数据，将输入的命令发送到连接的套接字。
        break
    else:
        s.send(com.encode())        

    d=s.recv(65536)                 #接收TCP数据，数据以字符串形式返回;'65536'为指定要接收的最大数据量。
    print(d.decode(),'--->',len(d)) #打印从服务端发送回来的数据和长度
    
s.close()                           #关闭连接

  • 运行结果：

对于服务器，要首先监听指定端口，然后，对每一个新的连接，创建一个线程或进程来处理。通常，服务器程序会无限运行下去。对于客户端，要主动连接服务器的IP和指定端口。所以我们在运行程序时，需先运行服务器端的程序，然后在运行客户端的程序，否则客户端的程序会报错。通俗一点来说，只有当目标主机（服务器端）活跃时，我们（客户端）才能连接它。

同一个端口，被一个Socket绑定了以后，就不能被别的Socket绑定了。

看完这个例子，大家有没有注意到，当我们接收数据时，需要调用decode()方法，发送数据时，需要调用encode()方法。这是为什么呢？

encode()和decode()都是字符串的函数，从英文意思上看，encode和decode分别指编码和解码，默认格式为UTF-8。数据在物理层上是以字节流(bytes)的形式传输的，所以在发送消息时，我们需要对字符串进行编码，获得bytes类型对象；接收数据时，就需要对其进行解码。



五、基于UDP协议的Socket编程


  • 基于UDP协议的Socket通信流程

相对TCP，UDP则是面向无连接的协议。所以在使用UDP协议时，不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口号，就可以直接发数据包。但是，能不能到达就不知道了。虽然用UDP传输数据不可靠，但它的优点是和TCP比，速度快，对于不要求可靠到达的数据，就可以使用UDP协议。

对于基于UDP协议的Socket通信，服务器不需要调用

listen()

方法，而是直接接收来自任何客户端的数据。

下面的UDP编程实现的是一个简单的聊天过程！


  • 服务器
     
#UDP服务器
import socket
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)  #创建一个socket
s.bind(("127.0.0.1",9999))   　　　　　　　　　　　　#绑定端口
while 1:
    #recvfrom()方法返回数据和客户端的地址与端口，这样，服务器收到数据后，直接调用sendto()就可以把数据用UDP发给客户端。　
    sock,addr=s.recvfrom(1024)   
    message=sock.decode()
    print(message,addr)
    if message=='exit':          　　　　　　　　　　#客户端先结束对话
        break
  
    data=input("I:")
    s.sendto(data.encode(),addr) 　　　　　　　　　　#从把数据从接收数据的端口发送出去
s.close()

  • 客户端

客户端使用UDP时，首先仍然创建基于UDP的Socket，然后，不需要调用

connect()

方法，直接通过

sendto()

给服务器发数据： 

#UDP客户端(访问端)
import socket
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)　　#创建一个socket对象
while 1:
    #发送数据
    message=input("I:")
    s.sendto(message.encode(),("127.0.0.1",9999))   
    if message=='exit':
        break
    #接收数据
    sock,addr=s.recvfrom(1024)   
    print(sock.decode(),addr)
s.close()

  • 运行结果：


小结：

UDP的使用与TCP类似，但是不需要建立连接。此外，服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突，也就是说，UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。



如果你对Python感兴趣的话，可以试试我整理的这份Python全套学习资料，文末免费领取

包括：Python永久使用安装包、Python web开发，Python爬虫，Python数据分析，人工智能、机器学习等学习教程。带你从零基础系统性的学好Python！



零基础Python学习资源介绍



一、Python所有方向的学习路线

Python所有方向路线就是把Python常用的技术点做整理，形成各个领域的知识点汇总，它的用处就在于，你可以按照上面的知识点去找对应的学习资源，保证自己学得较为全面。

在这里插入图片描述



二、Python学习软件

工欲善其事，必先利其器。学习Python常用的开发软件都在这里了！

在这里插入图片描述



三、Python入门学习视频

还有很多适合0基础入门的学习视频，有了这些视频，轻轻松松上手Python~
在这里插入图片描述



四、Python练习题

每节视频课后，都有对应的练习题哦，可以检验学习成果哈哈！

在这里插入图片描述



五、Python实战案例

光学理论是没用的，要学会跟着一起敲代码，动手实操，才能将自己的所学运用到实际当中去，这时候可以搞点实战案例来学习。这份资料也包含在内的哈~
在这里插入图片描述



六、Python面试资料

我们学会了Python之后，有了技能就可以出去找工作啦！下面这些面试题是都来自阿里、腾讯、字节等一线互联网大厂，并且有阿里大佬给出了权威的解答，刷完这一套面试资料相信大家都能找到满意的工作。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述



七、资料领取


上述完整版Python全套学习资料已经上传CSDN官方，需要的小伙伴可自行微信扫描下方CSDN官方认证二维码输入“领取资料”免费领取！！



版权声明：本文为2201_75362610原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。