Python50_网络编程（UDP、TCP）

网络编程基础

网络

• 使用网络能够把多方链接在一起，然后可以进行数据传递
• 所谓的就是，让在不同的电脑上的软件能够进行数据传递，即进程之间的通信

ip地址

• 目的：用来标记网络上的一台电脑（不允许重复）

• 如何查看当前电脑的ip：

  • Linux：ifconfig，中的inet项
  • Windows：ipconfig

• ip地址的分类

  • ipv4：v4就是第四个版本，由四部分组成，eg：192.168.14.91，每组数里面的最大值为255，最小值为0。通常，前三部分为网络号，最后一位为主机号，前三部分均相同即表示电脑在同一个网络下，主机号的0和255不能使用（是用于回路测试的）。
    分类：
    如果用仅用第一部分作为网络号，后三部分为主机号，则为A类地址；
    如果使用前两部分作为网络号，后两部分为主机号，则为B类地址；
    前三部分作为网络网，后一部分作为主机号则为C类地址【最常用】；
    D类地址用于多点广播，第一字节以1110开始，是一个专门的保留地址，它并不指向特定的网络，多点广播地址用来一次寻址一组计算机s地址范围为224.0.0.1-239.255.255.254；
    E类ip地址以1111开始，为将来使用保留，进作实验和开发用。
    私有ip：在这么多网络中，国际规定有一部分ip地址是用于我们的局域网使用，也就是属于私网ip。他们的范围是10.*和172.*以及192.*

  • ipv6：第六个版本，ip1235均为实验版本

端口

端口号也是一个数字，用来对电脑上的进程进行标识（从0-65536（2的16次方）的整数）

• 分类

  • 知名端口：众所周知的端口（0-1023），eg：80分配给HTTP服务，21分配给FTP服务，即大于1024的端口随便使用
  • 动态端口：从1024-65535，之所以称之为动态端口，是因为它一般不固定分配，而是动态分配（当一个系统程序或应用程序需要网络通信时，它向主机申请一个端口，主机从可用的端口号中分配一个供它使用，当程序关闭时，同时也就释放了所占用的端口号）

socket简介

socket：套接字

socket是进程间通信的一种方式，它与其他进程间通信的一个主要不同是：
它能实现不同主机间的进程间通信，我们网络上各种各样的服务大多都是基于socke来完成通信的，例如QQ，收发email

在不同的语言中，socket的流程是一样的

创建一个socket(tcp套接字）

import socket

skt = socket.socket(socket.AF_INEF, socket.SOCK_STREAM)#创建tcp套接字，因为tcp协议是流式传输，所以第二个参数为SOCK_STREAM
#第一个参数为协议族，AF_INEF表示使用的是ipv4的协议族
#socket.socket()是一个类，此语句创建了一个套接字对象

#这里是使用套接字的功能（省略）

skt.close() #不用的时候关闭套接字

创建一个udp socket（udp套接字）

import socket
udp_skt = socket.socket(socket.AF_INEF, SOCK_DGRAM) #因为udp协议传输的为报文，所以第二个参数为SOCK_DGRAM

#使用套接字的功能（省略）

udp_skt.close() #不用的时候，关闭

UDP

UDP（User Datagram Protocol）通信模型中，不需要建立相关的链接，只需要发送数据即可，类似于生活中“写信”——不安全

udp发送数据demo

from socket import *

#1.创建套接字
udp_socket = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#2.准备接受方地址
#'192.168.205.11'表示目的ip
#8080表示目的端口
dest_ip = "192.168.205.1"
dest_port = 8080
dest_addr = (dest_ip, dest_port)    #对方的ip和端口用元组

#3.从键盘获得数据
send_data = input(">")

#4.发送数据到指定电脑上的指定程序中
udp_socket.sendto(send_data.encode("utf-8"), dest_addr) #两个参数：要发送的内容，接受方地址

#关闭套接字
udp_socket.close()

可配合网络调试助手接收到以上程序发送的消息

udp接收数据demo

如果程序要接收数据，必须要一个固定的端口：使用bind绑定

客户端：

from socket import  *

HOST = "192.168.0.113"  #因为是自己写程序在本机上验证，所以这里的ip就是本机ip
PORT = 8888

BUFSIZE = 1024
ADDR = (HOST, PORT)

udpCliSock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)    #第一个参数表示网络编程，第二个参数表示报文传输
#udpCliSock.bind(（"",7788）） #可以使用此句给自己绑定端口，这样就不会使用系统随机分配的端口
while True:
    data = input(">")
    if not data:
        break   #如果没有输入数据，跳出循环，结束程序
    udpCliSock.sendto(data.encode("utf-8"),ADDR)    #将数据发送给目的地，
    # 因为在发送数据之前没有给自己绑定端口号，所以系统会随机分配一个端口号
    data, ADDR = udpCliSock.recvfrom(BUFSIZE)   #BUFSIZE表示本次接收的最大字节数
    #接收从服务器端返回的数据,recvfrom在数据没有到来的时候会阻塞

    if not data:
        break

    print(data.decode("utf-8"))

udpCliSock.close()

服务器端：

from socket import *
import time

HOST = ""   #本机ip，因为是做服务器，所以可以不用写，表示本机的任意一个ip
PORT = 8888 #端口号，不是小于1024的都可以
BUFSIZ = 1024   #缓冲区大小
ADDR = (HOST, PORT) 


udpServSock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)   #获得一个socket

udpServSock.bind(ADDR)  #绑定本堤的相关信息（ip与端口），如果一个网络程序不绑定，则系统会随机分配

while True:
    print("waitting for message...")
    data, addr = udpServSock.recvfrom(BUFSIZ)   #bufsize表示本次接收的最大字节数，recvfrom的返回值为数据和发送端的地址（ip与端口组成的元组）
    #程序会在这里一直等待，直到接收到数据
    data = data.decode("utf-8")
    content = '[%s] %s' %(bytes(time.ctime(),"utf-8"), data)
    print("收到数据：", data)
    udpServSock.sendto(content.encode("utf-8"), addr)   #把收到的数据发送回客户端
    print("received from and return to:", addr)

udpServSock.close()

注意：严格来说，UDP并没有服务器和客户端的概念，想要收就recfrom，想要发就sendto

ps：代码不是从上到下写的，而是用到什么导入什么，用到什么定义什么

注意：同一个端口在同一时刻只能被一个程序所使用

• 单工：要么只能收数据，要么只能发数据
• 半双工：可以发送也可以接收数据，但是同一时刻只能收或者发
• 全双工：同一时刻既可以发也可以收

TCP（更常用）

简介：

• TCP协议，传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
• TCP通信需要经过创建连接、数据传送、终止连接三个步骤
• TCP通信模型中，在通信开始之前，一定要先建立相关的链接，才能发送数据，类似于生活中“打电话”

TCP和UDP的不同点：

• 面向连接
• 有序数据传输
• 重发丢失的数据包
• 舍弃重复的数据包
• 无差错的数据传输
• 阻塞/流量控制

TCP注意点

1. tcp服务器一般情况下都需要绑定，否则客户端找不到这个服务器
2. tcp客户端一般不绑定，因为是主动链接服务器，所以只要确定好服务器的ip，port等信息就好，本地客户端可以随机
3. tcp服务器中通过listen可以将socket创建出来的主动套接字变为被动的，这是做tcp服务器时必须要做的
4. 当客户端需要连接服务器时，就需要使用connect进行链接，udp是不需要链接的而是直接发送，但是tcp必须先链接，只有链接成功才能通信
5. 当一个tcp客户端连接服务器时，服务器端会有1个新的套接字，这个套接字用来标记这个客户端，单独为这个客户端服务
6. listen后的套接字是被动套接字，用来接收新的客户端的链接请求的，而accept返回的新套接字是标记这个新客户端的
7. 关闭listen后的套接字意味着被动套接字关闭了，会导致新的客户端不能够链接服务器，但是之前已经链接成功的客户端正常通信
8. 关闭accept返回的套接字意味着这个客户端已经服务完毕
9. 当客户端的套接字调用close后，服务器端会recv接堵塞，并且返回的长度为0，因此服务器可以通过返回数据的长度来区别客户端是否已经下线

ps：tcp有三次握手和四次挥手 （由操作系统底层自己完成）

客户端：

from socket import *


def creat_link():
    """
    建立链接
    :return: 套接字
    """
    # 1. 创建tcp的套接字，ps：客户端一般不绑定端口号，但是可以绑定
    tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    #tcp_socket.setsockopt(socket.SOL__SOCKET, socket.SO_REUSERADDR, 1) # 让服务器端可以先close，而不会出现地址正在使用中的问题（具体涉及到四次挥手）
    # 2. 链接服务器
    server_ip = input("server ip：")
    server_port = None
    try:
        server_port = int(input("server port："))
    except:
        print("Error! The port must be integer!")
        exit()
    server_addr = (server_ip, server_port)
    tcp_socket.connect(server_addr)
    print("connect has created")
    return tcp_socket

def send_data(tcp_socket):
    # 3. 发送数据/接收数据
    send_data = input(">")
    tcp_socket.send(send_data.encode("utf-8"))  # udp用sendto方法（因为没有链接，所以每次发送都必须知道目的地），
    # tcp因为有链接，所以使用send方法即可
    if send_data == "exit()":
        exit()

def recv_data(tcp_socket):
    recv_msg = tcp_socket.recv(1024)
    print("received msg from server: {}".format(recv_msg.decode("utf-8")))

def main():
    tcp_socket = creat_link()
    while True:
        send_data(tcp_socket)
        recv_data(tcp_socket)

    #4. 关闭tcp套接字
    tcp_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    main()

服务器端：
tcp服务器的流程如下（以买手机类比）：

• socket创建一个套接字（买了手机）
• bind绑定ip和port（插上手机卡）
• listen使套接字变为可以被动链接（设置手机为正常接听状态——即能够响铃）
• accept等待客户端的链接（等待别人拨打）
• recv/send接收或发送数据（进行通话）

#服务器端必须绑定 
from socket import *

def creat_server():
    # 1. 买个手机（创建套接字）
    tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    # 2. 插入手机卡（绑定本地信息 bind）
    server_port = None
    try:
        server_port = int(input("set server port:"))
    except:
        print("port must be integer!")
        exit()
    tcp_server_socket.bind(("", server_port))
    # 3. 将手机设置为正常的响铃模式（让默认的套接字由主动变为被动 listen）
    print("waiting connect...")
    tcp_server_socket.listen(128)
    return tcp_server_socket

def creat_link(tcp_server_socket):
    # 4. 等待别人的电话到来（等待客户端的链接 accept）
    new_client_socket, client_addr = tcp_server_socket.accept()  # accept的返回值是一个元组（client_socket, client_addr）
    print(str(client_addr) + " has connected")
    # 监听套接字默认会阻塞，直到有返回值
    # a, b = (11, 22)类似这样的形式被称之为拆包，前后数量必须对应
    # 通常是由一个套接字见监听，然后每accept到一个链接请求，就创建一个新的套接字与其链接（为客户端服务）
    # 通常是服务器先接收，客户端先发送
    return (new_client_socket, client_addr)

def recv_and_return_msg(new_client_socket, client_addr):
    recv_data = new_client_socket.recv(1024)    #如果客户端已经close()，则recv也会解阻塞，此时recv_data为空，
    #如果是因为客户端发送了数据导致recv解阻塞，则recv_data不为空
    #ps：客户端无法发送空内容
    if recv_data.decode("utf-8") == "exit()":
        return "exit()"
    print(str(client_addr) + ":", end="")
    print(recv_data.decode("utf-8"))
    new_client_socket.send(recv_data)

def close_all_socket(tcp_server_socket, new_client_socket):
    # 关闭套接字
    tcp_server_socket.close()
    new_client_socket.close()
    print("Link has be closed")

def main():
    tcp_server_socket = creat_server()
    new_client_socket, client_addr = creat_link(tcp_server_socket)

    while True:
        tag = recv_and_return_msg(new_client_socket,client_addr)
        if tag == "exit()":
            close_all_socket(tcp_server_socket, new_client_socket)
            exit()

if __name__ == "__main__":
    main()

案例：文件下载器

客户端：

from socket import *

def main():
    #1. 创建套接字
    tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    #2. 获取服务器的ip， port
    dest_ip = input("server ip:")
    dest_port = int(input("server port:"))
    #3. 链接服务器
    tcp_socket.connect((dest_ip, dest_port))
    #4. 获取下载文件的名字
    file_name = input("请输入要下载的文件名字：")

    #5. 将文件名字发送给服务器
    tcp_socket.send(file_name.encode("utf-8"))
    #6. 接收文件中的数据
    recv_data = tcp_socket.recv(1024*1024)  #为了使程序简化，假设文件最大1M
    #7. 保存接收到的数据到文件中
    with open("[副件-]" + file_name, "wb") as f:
        f.write(recv_data)
        print("文件：[{}]下载完成！".format(file_name))
    #8. 关闭套接字
    tcp_socket.close()
if __name__ == "__main__":
    main()

服务器端：

from socket import *

def creat_server():
    # 1. 买个手机（创建套接字）
    tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    # 2. 插入手机卡（绑定本地信息 bind）
    server_port = None
    try:
        server_port = int(input("set server port:"))
    except:
        print("port must be integer!")
        exit()
    tcp_server_socket.bind(("", server_port))
    # 3. 将手机设置为正常的响铃模式（让默认的套接字由主动变为被动 listen）
    print("waiting connect...")
    tcp_server_socket.listen(128)   #listen的参数一般写128，和同一时刻服务器端建立的连接数有关系，但是主要由操作系统决定，并不是说写128就是最多128个连接
    return tcp_server_socket

def creat_link(tcp_server_socket):
    # 4. 等待别人的电话到来（等待客户端的链接 accept）
    new_client_socket, client_addr = tcp_server_socket.accept()  # accept的返回值是一个元组（client_socket, client_addr）
    print(str(client_addr) + " has connected")
    # 监听套接字默认会阻塞，直到有返回值
    # a, b = (11, 22)类似这样的形式被称之为拆包，前后数量必须对应
    # 通常是由一个套接字见监听，然后每accept到一个链接请求，就创建一个新的套接字与其链接（为客户端服务）

    # 通常是服务器先接收，客户端先发送
    return (new_client_socket, client_addr)

def recv_and_return_msg(new_client_socket, client_addr):
    file_name = new_client_socket.recv(1024)
    if file_name.decode("utf-8") == "exit()":
        return "exit()"
    print(str(client_addr) + ":", end="")
    print("正在发送文件：" + file_name.decode("utf-8"))
    with open(file_name,"r") as f:
        content = f.read()
        new_client_socket.send(content.encode("utf-8"))

def close_all_socket(tcp_server_socket, new_client_socket):
    # 关闭套接字
    tcp_server_socket.close()
    new_client_socket.close()
    print("Link has be closed")

def main():
    tcp_server_socket = creat_server()
    new_client_socket, client_addr = creat_link(tcp_server_socket)
    recv_and_return_msg(new_client_socket,client_addr)
    close_all_socket(tcp_server_socket, new_client_socket)

if __name__ == "__main__":
    main()

结合多线程实现群聊

客户端：

from socket import *
import time
import logging as logger
import concurrent.futures as futures

logger.basicConfig(level=logger.DEBUG)

class Tcp_Client:
    def __init__(self, host = "127.0.0.1", port = 9999):
        self.sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
        self.sock.connect((host, port))

    def send(self, msg):
        """
        向服务器发送信息
        :param msg:
        :return:
        """
        self.sock.send(msg.encode("utf-8"))

    def read(self):
        """
        :return:
        """
        while True:
            data = self.sock.recv(1024)
            print(data.decode("utf-8"))


def main():
    ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers = 5)
    tc = Tcp_Client()
    ex.submit(tc.read)

    while True:
        data = input(">")
        tc.send(data)


main()

服务器端：

from socket import *
import logging as logger
import concurrent.futures as futures

logger.basicConfig(level=logger.DEBUG)

class TcpServer:
    def __init__(self, port = 9999):
        self.host = ""  #由于是服务器端，所以host为空
        self.port = port
        self.clients = []
        self.ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers = 5)

    def run(self):
        logger.info("服务器启动，监听端口：%d" % self.port)
        self.server_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
        self.server_sock.bind((self.host, self.port))
        self.server_sock.listen(5)
        while True:
            client_socket, client_addr = self.server_sock.accept()
            self.ex.submit(self.read, client_socket)
            logger.info("客户端{}:{}建立连接".format(client_addr[0],str(client_addr[1])))
            self.clients.append((client_socket, client_addr))

    def read(self, client_socket):
        while True:
            data = client_socket.recv(1024)
            print(data.decode("utf-8"))
            for client in self.clients:
                sock = client[0]
                addr = client[1]
                if sock != client_socket:
                    info = addr[0] + ":"  + str(addr[1]) + ":" + data.decode("utf-8")
                    logger.info("向客户端{}：{}发送信息".format(addr[0], str(addr[1])))

                    sock.send(info.encode("utf-8"))


TcpServer().run()

TCP与UDP的流程对比

udp:                    tcp客户端:         tcp服务器端：
socket                  socket              socket
bind                    connect             bind
recvfrom/sendto         send/recv           listen
close                   close               accept
                                            recv/send
                                            close