Python使用套接字(socket)实现UDP与TCP通信

开放式系统互联模型

官方的模型分为七层，但在实际使用中大多数公司会把这个模型分为四层或者五层。
而在python建立一个简单的主机间的通信，我们需要了解IP、UDP与TCP

IP

相比IP对大多数人来说都并不陌生，IP是什么,在Windows下,我们可以通过ipconfig来查看自己的IP等相关网络配置,而在linux下我们可以通过ifconfig来查看自己的IP等相关信息

Windows环境下的ipconfig
Linux环境下的ifconfig
IP协议有两种,一种是我们当前较为常用的IPv4(inet),另一种是还在测试阶段,但也有越来越多的地方开始使用的IPv6(inet6),因为IPv4地址位数为32位(4个字节)与2019年11月26日被消耗殆尽,所以IPv6地址位数为128位(16个字节)作为下一代IP地址,已经开始在生活中随处可见了。点击查看你是否支持访问IPv6
端口

IP和端口是密不可分的,如果你想要让设备通信,不仅需要知道对方的IP还需要知道对方的开放了那些端口。假设我们要去到朋友家，我们可以把知道对方的家庭住址当成知道了对方的家,知道了对方的端口号就知道了对方家的门在哪,如果我们只是知道对方的家,却找不到门,我们照样无法和对方正常通信。
端口可以分为两种

• 系统保留的端口: 0~1023
• 动态端口: 1024~65535

系统保留的端口我们无法去调用,而在系统保留的端口中,我们要记住几个常用的端口

• HTTP协议端口:80
• HTTPS协议端口:443

套接字

套接字(socket):在应用层与传输层直接工作,可以说是套接字将应用层与传输层连接到了一起。它是计算机直接互相通信的一种约定方式。几乎所有可以网络编程的语言都支持套接字,Python当然也不例外。socket是Python的内置模块之一,无需下载即可使用

socket方法常用属性

family(协议族):

• AF_INET(IPv4)
• AF_INET6(IPv6)

type(套接字类型):

• SOCK_STREAM(TCP协议)
• SOCK_DGRAM(UDP协议)

UDP

UDP特点

• 无需和对方建立连接即可发送数据
• 可以一对一,一对多,多对多等多种模式
• 系统资源占用小
  UDP是数据传输的一种方式,Python可以利用socket模块进行UDP的数据传输。
  UDP使用流程较为简单,而且对服务器(提供服务的一方)与客户端(被服务的一方)的区分并不大。

1.创建套接字
2.使用套接字收\发数据
3.关闭套接字

UDP发送数据

发送数据默认只能发送ASCII编码的数据,且发送的数据必须是字节类型,所以我们可以用.encode()方法改变字节编码,在Windows系统中使用的是gbk的编码,如果你使用的电脑是Mac或者Linux系统,发送的数据使用utf-8则不会乱码

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import socket

def send_main():
    # family(协议族):AF_INET(IPv4) AF_INET6(IPv6) type(套接字类型) SOCK_STREAM(TCP协议) SOCK_DGRAM(UDP协议)
    udp_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)
    # 使用.sendto方法向指定ip的端口发送数据
    send_data = '数据'
    udp_socket.sendto(send_data.encode('gbk'), ('127.0.0.1', 12821))
    # 关闭UDP
    udp_socket.close()

if __name__ == '__main__':
    send_main()

UDP接收数据

接收数据,我们需要用到.bind()方法绑定地址,.recvfrom方法来接收数据并且设置接收的最大字节数(默认:1024)
.bind()方法:需要传入一个元组进入,元组内放入ip与端口,端口号需要为int类型。ip可以为空,当ip为空时,会默认为所以本地ip。例`udp_socket.bind((’’, 1024))

def rece_main():
    udp_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)
    udp_socket.bind(('', 12822))
    print(udp_socket.recvfrom(1024))

使用.recvfrom()方法接收的数据为数组格式:(字节数据,(发送IP,发送端口))。
如: (b’\xca\xfd\xbe\xdd’, (‘127.0.0.1’, 12821)),我们可以取出其中的字节使用.decode()方法进行转换。

TCP

TCP特点

面向连接

• 通信双方必须先建立连接才能进行数据的传输
• 可靠传输

TCP采用发送应答机制

• 超时重传
• 错误校验
• 流量控制和阻塞管理

TCP在客户端和服务端上有着较为明显的区别

TCP客户端

TCP在创建套接字时,使用的的type(套接字类型)为SOCK_STREAM。

• 使用.connect()方法连接服务器
• 使用.send()方法发送数据,.recv()方法接收数据,默认最大接收1024个字节(.encode()方法用于设定二进制文件的编码格式,默认为ascll不支持中文格式)
• 使用.close()方法断开连接

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def tcp_send_client():
    """使用tcp发送数据"""
    # 创建tcp套接字
    tcp_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
    # 连接服务器
    tcp_socket.connect(('127.0.0.1', 12823))
    # 发送数据
    data = '数据'
    tcp_socket.send(data.encode('gbk'))
    # 断开连接
    tcp_socket.close()

def tcp_recv_client():
    """使用tcp接收数据"""
    # 创建TCP套接字
    tcp_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
    # 连接服务器
    tcp_socket.connect(('127.0.0.1', 12823))
    # 接收数据
    data = tcp_socket.recv(1024)
    # 打印数据
    print(data.decode('gbk'))
    # 断开连接
    tcp_socket.close()

TCP服务端

服务端主要用到的方法

• .bind()方法绑定端口
• .listen()方法将主动转为被动(可以理解为设置为接听模式,方法中传入的数值将影响能同时连接的主机数量,能同时连接的数量同时还会受到系统的影响)
• .accept()方法,创建连接副本,并且返回连接主机的信息(TCP不同于UDP的可以一对多,TCP只能为一对一的连接方式,但是这里采用了一个解决方案可以让多个主机同时连接,每次连接时候都会创建一个TCP副本,将连接指向副本,这样就可以进行多个连接)
• .recv()与.send()方法接收数据与发送数据时需要对.accept()创建的副本进行操作,如果直接对socket方法创建的套接字操作会出现不可预知的错误

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def tcp_recv_server():
    """服务端接收数据"""
    # 创建tcp套接字
    tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 绑定信息
    tcp_server.bind(('127.0.0.1', 12824))
    # 将主动转被动(服务器提供连接服务时需要)
    tcp_server.listen(128)
    # 等待连接(接到连接后,会创建一个连接副本,然后返回连接到此端口的主机信息)
    new_tcp, host_info = tcp_server.accept()
    # 接收数据
    data = new_tcp.recv(1024).decode('gbk')
    print(data)


def tcp_send_server():
    """服务端发送数据"""
    # 创建tcp套接字
    tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 绑定信息
    tcp_server.bind(('127.0.0.1', 12824))
    # 将主动转被动(服务器提供连接服务时需要)
    tcp_server.listen(128)
    # 等待连接(接到连接后,会创建一个连接副本,然后返回连接到此端口的主机信息)
    new_tcp, host_info = tcp_server.accept()
    # 发送数据
    data = 'TCP数据'
    new_tcp.send(data.encode('gbk'))

TCP和UDP的区别

• TCP面向连接;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。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付。
• UDP具有较好的实时性，工作效率比TCP高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。
• 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对系统资源要求较多，UDP对系统资源要求较少。
• TCP的客服端与服务端区别较大，UDP客户端与服务端区别较小