Python 笔记02 （网络交互 TCP/UDP）

一 socket网络及差别介绍

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是两种常见的互联网传输协议，它们之间有很多区别，包括以下几个主要方面：

1.1 TCP

TCP是传输控制协议，是面向连接的通讯协议（如：打电话），通过三次握手建立连接，通讯完成时四次挥手，一般应用在对安全性、完整性有严格要求的场景,如FTP、SMTP、HTTP等

1. 优点：TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序
2. 缺点：TCP相对于UDP速度慢一点，效率低，而且要求系统资源较多，每个连接都会占用系统的CPU、内存等硬件资源

1.2 UDP

UDP是用户数据报协议，是面向无连接的通讯协议（如：发短信）

1. 优点：UDP速度快、操作简单、要求系统资源较少
2. 缺点：不可靠，可能会出现丢包、乱序、数据不完整

1.3 TCP 与 UDP 的区别：

1. 连接 TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。UDP 是不需要连接，即刻传输数据。
2. 服务对象 TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
3. 可靠性 TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按序到达。UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。
4. 拥塞控制、流量控制 TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。
5. 首部开销 TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节，如果使用了「选项」字段则会变长的。UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小，对系统资源要求较少。
6. 实时性 UDP 具有较好的实时性，工作效率比 TCP 协议高。

1.4 应用场景

1. 由于 TCP 是面向连接，能保证数据 的可靠性交付，因此经常用于：(20/21端口)FTP 文件传输、HTTP / HTTPS(80端口) 、SMTP(简单邮件传送协议)、TELNET(远程终端协议)
2. 由于 UDP 面向无连接，它可以随时发送数据，再加上UDP本身的处理既简单又高效，因此经常用于：包总量较少的通信，如 DNS 、SNMP、TFTP(简单文件传输协议) 等、视频、音频等多媒体通信、广播通信

1.5 Socket数据传输方式

常用的有两种：

1. SOCK_STREAM：表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。针对于面向连接的TCP服务应用；
2. SOCK_DGRAM：表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。对应于无连接的 UDP服务应用。

1.6 服务器端

from socket import *
server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
server_host_port = ('127.0.0.1', 6000)   # 服务器的IP地址和端口

# 接收数据前绑定端口
server.bind(server_host_port)

while True:
    # 接收数据
    data = server.recvfrom(1024)

    # print('data:', data)  # (b'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd', ('127.0.0.1', 61328))
    print('访问者:', data[0].decode('utf-8'))  # 你好
    # print(f'客户端的IP：{data[1][0]}  \n客户端的端口：{data[1][1]}')

    """重新发送数据"""
    send_data = input('客服说：')
    server.sendto(send_data.encode('utf-8'), data[1])

# server.close()

1.7 客户端

from socket import *
client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
server_host_port = ('127.0.0.1', 6000)   # 指定数据接收方

while True:
    data = input('访问者：')
    data = data.encode('utf-8')
    client.sendto(data, server_host_port)   # 发送数据

    if data.decode('utf-8') == 'bye':
        break

    """接收返回数据数据"""
    recv_data = client.recvfrom(1024)
    print(f"客服说：{recv_data[0].decode('utf-8')}")

print('程序关闭')
client.close()

二 UDP协议

udp的交互使用：sendto 和 recvfrom

SOCK_DGRAM：表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。对应于无连接的 UDP服务应用。

2.1 服务器代码

from socket import *
import struct
server_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

host_port = ('localhost', 8888)   # 端口号

# 开始监听
server_socket.bind(host_port)

# 接收数据
data = server_socket.recvfrom(1024)
print(data, type(data))

# 解析操作码
recv_data = data[0]
new_data = struct.unpack('!H', recv_data[:2])
print('客户端请求的操作码：', new_data)

# 解析文件名
file_name = recv_data[2:-7].decode('utf-8')
print('客户端请求下载的文件名：', file_name)
server_socket.close()

2.2 客户端代码

from socket import *
import struct
client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

host_port = ('localhost', 8888)   # 端口号

file_name = input('请输入需要上传的文件名：').encode('utf-8')
print('file_name:', file_name, len(file_name))
data = struct.pack('!H%dsb5sb' % len(file_name), 1, file_name, 0, 'octet'.encode('utf-8'), 0)

# 发送数据
client_socket.sendto(data, host_port)
client_socket.close()

三 TCP协议

tcp的交互使用：send 和 recv

SOCK_STREAM：表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。针对于面向连接的TCP服务应用；

3.1 TCP服务器代码

from socket import *
import random

# 创建SOCKET对象
server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 绑定IP和端口
host_port = ('', 6666)   # 不写本机所有
server_socket.bind(host_port)

# 设置listen
server_socket.listen(5)

while True:
    # 等待客户端连接
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    print('客户端已连接，3次握手完成！ ')
    # print('client_socket:', client_socket)

    # 接收数据
    data = client_socket.recv(1024).decode('utf8')
    print('data:', data)

    oper_code = data.split(':')[0]  # 操作码
    recv_data = data.split(':')[1]  # 需要上传和下载的文件

    if oper_code == '1':  # 下载操作
        file_read = open(recv_data, 'r', encoding='utf8')
        data = file_read.read()
        # 将数据发给客户端
        client_socket.send(data.encode('utf-8'))
        file_read.close()

    elif oper_code == '2':  # 上传操作
        file_write = open(str(random.randint(1000, 9999)) + '.txt', 'w', encoding='utf-8')
        file_write.write(recv_data)
        file_write.close()
        print('服务器接收完成！')

    elif oper_code == '0':  # 已退出
        print(recv_data)

3.2 客户端代码

from socket import *

while True:
    client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

    # 指定要连接的IP
    host_port = ('127.0.0.1', 6666)

    # 开始连接服务器
    client_socket.connect(host_port)

    choice = eval(input('请选择操作： 0.退出  1.下载  2.上传  \n'))

    if choice == 1:
        file_name = input('请输入要下载的文件名：')
        # 告诉服务器要下载的文件名
        join_data = (str(choice) + ':' + file_name).encode('utf-8')
        # 发送数据
        client_socket.send(join_data)

        # 接收服务器返回的数据
        recv_data = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')
        # 写入本地磁盘
        download = open(file_name, 'w', encoding='utf-8')
        download.write(recv_data)
        download.close()
        print('下载完成')

    elif choice == 2:  # 上传
        path_name = input('请输入要上传的文件名：')
        # 本地读取
        upload = open(path_name, 'r', encoding='utf-8')
        upload_data = upload.read()

        # 拼接数据结构
        data = (str(choice) + ':' + upload_data).encode('utf-8')
        # 向服务器发送数据
        client_socket.send(data)
        upload.close()
        print('数据上传成功！')

    elif choice == 0:
        # 告诉服务器已退出
        client_socket.send((str(choice) + ':' + '客户端已退出').encode('utf-8'))
        break

print('客户端关闭')

TCP连接时三次握手：

• 第一次：客户端向服务器端发送连接报文（SYN=1），同时选择一个初始序列号 seq=x，一起发送

• 第二次：服务器收到报文后向客户端发报文，确认报文为：(ACK=1，SYN=1)，确认号为ack=x+1，同时服务器初始化一个序列号：seq=y，一起发送

• 第三次：客户端向服务器端发送报文（ACK=1），同时发送：ack=x+1,seq=y+1进行确认

TCP断开时四次挥手：开时四次挥手：

• 第一次：客户端发送释放报文并停止发送数据（FIN=1），带上序列号 seq=u，客户端进入终止等待状态（FIN-WAIT-1）

• 第二次：服务器收到报文后释放报文，发出确认报文（ACK=1，ack=u+1），并且带上序列号 seq=v，服务器进入关闭等待状态(CLOSE-WAIT)

• 第三次：服务器在数据传输完毕后发送连接释放报文（FIN=1，ack=u+1），同时发送序列号：seq=w，服务器进入最后确认状态（LAST-ACK）

• 第四次：客户端收到释放报文后，向服务器发送报文（ACK=1，ack=w+1），发送序列号 seq=u+1，客户端进入时间等待状态（TIME-WAIT）。服务器接收到报文后直接关闭，客户端需要等2**MSL（最长报文段寿命）后结束