Python Socket编程：从原理到实践

标签：UDP Socket Python 编程 sock TCP data socket

在当今的网络世界中，Socket编程是构建网络通信应用的关键技术之一。从简单的聊天应用到复杂的分布式系统，Socket编程都扮演着至关重要的角色。本文将首先介绍Socket编程的基本原理，然后详细讲解如何使用Python进行Socket编程。

注意：文中谈到的TCP/IP协议可以去我另一篇文章看一下，本文主要讲我们怎么进行socket编程。

一、Socket编程原理

Socket编程是一种网络通信的API，它提供了跨平台、跨语言的网络通信能力。Socket编程接口实际上是一个广泛的编程接口，可以用于多种协议，包括TCP、UDP以及其他更底层的协议（如原始套接字用于IP层通信）。但是在大多数应用中，TCP和UDP是最常用的协议（因为它们提供了网络编程所需的基本特性），所以本文主要讲TCP Socket 编程和UDP Socket 编程。

TCP Socket 编程

当我们在使用Socket API进行编程时，我们写的代码实际上是在与TCP/IP协议栈进行交互。

具体流程如下：

创建Socket：当您创建一个Socket对象时，您实际上是在请求TCP/IP协议栈分配一个唯一的套接字标识符（socket ID）和相关的资源。
绑定地址：绑定操作告诉TCP/IP协议栈，您希望将哪个IP地址和端口号与您的Socket关联起来。这样，当远程主机尝试连接到您的Socket时，TCP/IP协议栈就知道如何处理这个连接请求。
监听连接：服务器端Socket的监听操作告诉TCP/IP协议栈，它应该接受来自客户端的连接请求。当有客户端发起连接时，TCP/IP协议栈会处理底层的连接建立过程，并通知您的代码连接已经建立。
数据交换：当您使用Socket发送或接收数据时，您的代码实际上是在将数据传递给TCP/IP协议栈，或者从TCP/IP协议栈接收数据。TCP/IP协议栈负责将数据打包成适当的格式（例如，TCP数据包或UDP数据报），并将其发送到目标主机。同样，当TCP/IP协议栈接收到来自远程主机的数据时，它会将数据传递给与Socket关联的代码。
关闭连接：当您关闭Socket连接时，您的代码实际上是在告诉TCP/IP协议栈释放与该连接关联的所有资源。TCP/IP协议栈会负责完成底层的连接关闭过程。

UDP Socket 编程

当使用Socket进行UDP（用户数据报协议）通信时，原理与TCP通信有所不同，因为UDP是一个无连接、不可靠的传输协议。

具体流程如下：

创建Socket：
在通信的两端（客户端和服务器），都需要创建一个UDP Socket对象。这个对象将负责UDP通信的相关操作。
绑定地址（可选）：
对于服务器端Socket，通常也需要绑定到一个具体的IP地址和端口号上，以便客户端能够找到它。但需要注意的是，UDP的绑定是可选的，如果服务器端不绑定到特定端口，那么操作系统会为其选择一个可用的临时端口。
客户端Socket则不需要绑定，因为UDP是无连接的，客户端只需要知道服务器的IP地址和端口号就可以发送数据报。
发送数据报：
客户端使用UDP Socket的sendto方法向服务器发送数据报。在发送时，需要指定目标服务器的IP地址和端口号。
服务器使用UDP Socket的recvfrom方法来接收来自客户端的数据报。这个方法会返回发送方的IP地址和端口号，以及接收到的数据内容。
数据交换：
UDP通信中，数据以数据报的形式发送和接收。每个数据报都是独立的，不依赖于之前的或之后的数据报。
UDP不提供像TCP那样的流控制、错误检查和顺序保证。这意味着数据报可能会丢失、乱序或重复到达。因此，在UDP通信中，应用程序需要负责处理这些问题。
关闭连接：
与TCP不同，UDP没有显式的连接建立和关闭过程。当数据报发送或接收完成后，Socket对象通常可以继续使用，或者可以被销毁以释放资源。
广播和多播：
UDP还支持广播和多播功能。广播是指向本地网络上的所有主机发送数据报，而多播则是向一组特定的主机（属于同一个多播组）发送数据报。这些功能在需要向多个接收者发送相同数据的情况下非常有用。
缓冲区管理：
UDP Socket有一个接收缓冲区来存储接收到的数据报。如果应用程序没有及时读取接收缓冲区中的数据，那么新的数据报可能会覆盖旧的数据报（取决于缓冲区的大小和配置）。因此，在使用UDP时，应用程序需要确保及时读取接收到的数据报。

二、Python Socket编程实践

Python提供了丰富的Socket编程库，使得开发者可以轻松地实现网络通信功能。

基于TCP协议的Python socket编程

TCP 服务器

import socket


def tcp_server():
    # 创建一个TCP/IP socket
    # 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议
    # 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用TCP协议
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 绑定到地址和端口
    server_address = ('localhost', 12345)
    sock.bind(server_address)

    # 监听连接，等待客户端的连接请求
    # 最多接受2个等待连接的客户端
    sock.listen(2)
    print('等待连接...')
    connection, client_address = sock.accept()
    print(f"接受一个客户端连接 {client_address}")

    # 接收数据并返回
    while True:
        # 指定从接收缓冲里最多读取100个字节
        recv_data = connection.recv(100)   # 返回的数据是bytes类型的，需要用decode()解码
        print(f"收到信息: {recv_data.decode()}")
        if recv_data.decode() == "退出":
            break

        send_data = input("输入发送给客户端的数据: ")
        connection.send(send_data.encode())   # 发送的数据也是bytes类型的，所以这里需要encode()编码
        if send_data == "退出":
            break

    connection.close()
    sock.close()


if __name__ == '__main__':
    tcp_server()

TCP 客户端

import socket


def tcp_client():
    # 创建一个TCP/IP socket
    # 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议
    # 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用TCP协议
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 连接到服务器
    server_address = ('localhost', 12345)
    sock.connect(server_address)

    while True:
        # 发送数据
        # send_data = b'123'
        send_data = input("输入发送的数据: ")
        sock.send(send_data.encode())
        if send_data == "退出":
            break

        # 接收数据
        recv_data = sock.recv(100)
        print(f"接收到的数据 {recv_data.decode()}")
        if recv_data.decode() == "退出":
            break

    sock.close()


if __name__ == '__main__':
    tcp_client()

基于UDP协议的Python socket编程

UDP 服务器

import socket


def udp_server():
    # 创建一个UDP socket
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    # 绑定到地址和端口
    server_address = ('localhost', 12345)
    sock.bind(server_address)

    while True:
        # 接收数据
        # print('等待接收数据...')
        recv_data, address = sock.recvfrom(4096)
        print(f"地址: {address} 数据: {recv_data.decode()}")
        if recv_data.decode() == "退出":
            break

        # 发送数据
        send_data = input("请输入要发送的数据: ")
        sent = sock.sendto(send_data.encode(), address)
        print(f"向{address}发送{sent}字节")
        if send_data == "退出":
            break

    sock.close()


if __name__ == '__main__':
    udp_server()

UDP 客户端

import socket


def udp_client():
    # 创建一个UDP socket
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    # 服务器地址和端口
    server_address = ('localhost', 12345)

    while True:
        # 发送数据
        # send_data = b'123'  # 这种方式是不能写中文的，所以还是建议用encode()
        send_data = input("请输入要发送的数据: ")
        sent = sock.sendto(send_data.encode(), server_address)

        # 接收数据
        # print('等待接收数据...')
        recv_data, server = sock.recvfrom(4096)
        print(f"地址: {server} 数据: {recv_data.decode()}")
        if recv_data.decode() == "退出":
            break

    sock.close()


if __name__ == '__main__':
    udp_client()

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