第四章python网络编程-CFANZ编程社区

a.tcp和udp协议的区别

1）区别

对比维度	TCP（传输控制协议）	UDP（用户数据报协议）
连接特性	面向连接（通信前需三次握手建立连接，通信结束后四次挥手断开连接）	无连接（直接发送数据，无需提前建立或维护连接）
可靠性	可靠传输（保证数据按序、无丢失、无重复到达）	不可靠传输（不保证数据到达，不处理失序或重复问题）
传输模式	流式传输（数据无边界，视为连续字节流）	数据报传输（每个数据报独立，有明确边界和长度）
传输效率	较低（需连接建立、确认、重传、流量控制等机制，开销大）	较高（无连接和复杂控制机制，延迟低、传输速度快）
拥塞控制/流量控制	内置完善的拥塞控制（如慢启动、拥塞避免）和流量控制（滑动窗口）	无内置机制，完全依赖应用层处理
首部开销	较大（固定首部 20 字节，可选字段最多 60 字节）	较小（固定首部仅 8 字节，包含源端口、目的端口等简单字段）
数据边界	无（接收方需自行处理字节流分割）	有（每个 UDP 数据报独立，接收方直接获取完整报文）
适用场景	对可靠性要求高的场景（如文件传输、网页浏览、邮件等）	对实时性要求高的场景（如音视频流、实时游戏、DNS 查询等）

总结：

TCP 以“可靠性”为设计核心，适合需要数据准确无误的场景，但牺牲了部分效率；
UDP 以“实时性”为设计核心，适合允许少量丢包但要求低延迟的场景，效率更高但需应用层自行处理可靠性问题。

b.socket概念详解

Socket（套接字） 是计算机网络中实现 进程间通信（IPC） 的基本抽象概念，是操作系统提供的网络编程接口。

它本质上是一个端点，用于在不同主机或同一主机上的进程之间传输数据，是网络通信的基础。

1）Socket 的核心概念

本质

是操作系统内核提供的 网络通信抽象层，允许应用程序通过一组 API（如 send()/recv()）与网络交互。
封装了底层网络协议（如 TCP/IP、UDP）的细节，使开发者无需关心物理层和协议栈的复杂性。

定位作用

唯一标识网络中的一个 通信端点，由以下三要素组成：

IP 地址：标识网络中的主机。
端口号：标识主机上的具体进程（如 Web 服务默认端口 80，FTP 默认端口 21）。
传输层协议：指定使用 TCP 或 UDP 协议。

2）Socket 的类型

根据传输层协议的不同，Socket 主要分为三种类型：

类型	协议	特点	典型应用
流式套接字	TCP	- 面向连接，可靠传输 - 数据无边界（字节流） - 自动处理分包、排序、重传	HTTP/HTTPS（网页浏览）、FTP（文件传输）、邮件协议
数据报套接字	UDP	- 无连接，不可靠传输 - 数据有边界（每个数据报独立） - 低延迟、高效率	实时音视频（如视频会议、直播）、DNS 查询、在线游戏
原始套接字	原始协议	- 直接访问网络层（如 IP）或数据链路层（如 MAC） - 需系统权限（如 root）	网络抓包工具（如 Wireshark）、自定义协议开发

3）Socket 的组成要素

IP 地址

标识网络中的目标主机，如 192.168.1.1（IPv4）或 2001:db8::1（IPv6）。

端口号

16 位无符号整数（范围：0~65535），用于区分同一主机上的不同进程。
知名端口（0~1023）：系统保留，如 80（HTTP）、443（HTTPS）、22（SSH）。
动态端口（1024~65535）：由操作系统动态分配给应用程序。

传输层协议

决定通信的可靠性和效率：

TCP：适用于需要可靠传输的场景（如文件传输）。
UDP：适用于实时性要求高的场景（如视频流）。

4）Socket 的工作流程

服务器端流程

创建 Socket（socket()） → 绑定地址（bind()） → 监听连接（listen()） → 接受连接（accept()） → 收发数据（send()/recv()） → 关闭 Socket（close()）

socket()：创建 Socket 对象，指定协议类型（如 TCP）。
bind()：将 Socket 绑定到本地 IP 地址和端口号（如服务器端口 8080）。
listen()：设置为监听状态，等待客户端连接。
accept()：阻塞式等待，接受客户端连接，返回新的 Socket（用于与该客户端通信）。
send()/recv()：通过新 Socket 与客户端收发数据。
close()：关闭 Socket，释放资源。

客户端流程

创建 Socket（socket()） → 连接服务器（connect()） → 收发数据（send()/recv()） → 关闭 Socket（close()）

connect()：指定服务器的 IP 地址和端口号，发起连接（触发 TCP 三次握手）。
其余步骤与服务器端类似。

5）Socket 的应用场景

典型场景

TCP Socket：

Web 服务（HTTP/HTTPS）：浏览器通过 TCP Socket 与服务器通信。
即时通讯（如微信）：消息传输需要可靠性。

UDP Socket：

实时游戏（如《王者荣耀》）：低延迟比数据可靠性更重要。
视频会议（如 Zoom）：允许少量丢包，但要求画面流畅。

6）Socket 与端口的关系

端口是传输层协议（TCP/UDP）的概念，用于标识进程；
Socket 是应用层通过操作系统访问网络的接口，包含 IP+端口+协议 三要素。
同一主机上的多个 Socket 可以通过不同端口区分（如 Web 服务器监听 80 端口，FTP 服务器监听 21 端口）。

c.使用python实现tcp与udp通信

1）TCP 通信示例

1. TCP 服务器端 (`tcp_server.py`)

import socket

def tcp_server():
    # 创建 TCP Socket 对象（AF_INET 表示 IPv4，SOCK_STREAM 表示 TCP）
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
    # 绑定 IP 地址和端口
    server_address = ('localhost', 8888)
    server_socket.bind(server_address)
    
    # 监听连接（最大连接数 5）
    server_socket.listen(5)
    print(f"TCP 服务器已启动，监听地址: {server_address}")
    
    while True:
        # 接受客户端连接（阻塞直到有连接）
        client_socket, client_address = server_socket.accept()
        print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
        
        # 接收客户端数据（最多 1024 字节）
        data = client_socket.recv(1024)
        if data:
            message = data.decode('utf-8')
            print(f"收到消息: {message}")
            
            # 回显消息给客户端
            response = f"服务器已收到: {message}"
            client_socket.sendall(response.encode('utf-8'))
        
        # 关闭客户端连接
        client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    tcp_server()

2. TCP 客户端 (`tcp_client.py`)

import socket

def tcp_client():
    # 创建 TCP Socket 对象
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
    # 连接服务器
    server_address = ('localhost', 8888)
    client_socket.connect(server_address)
    
    try:
        # 发送消息到服务器
        message = "Hello, TCP Server!"
        client_socket.sendall(message.encode('utf-8'))
        
        # 接收服务器响应
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f"收到服务器响应: {data.decode('utf-8')}")
    
    finally:
        # 关闭连接
        client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    tcp_client()

2）UDP 通信示例

1. UDP 服务器端 (`udp_server.py`)

import socket

def udp_server():
    # 创建 UDP Socket 对象（SOCK_DGRAM 表示 UDP）
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    # 绑定 IP 地址和端口
    server_address = ('localhost', 9999)
    server_socket.bind(server_address)
    
    print(f"UDP 服务器已启动，监听地址: {server_address}")
    
    while True:
        # 接收客户端数据（自动获取客户端地址）
        data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
        if data:
            message = data.decode('utf-8')
            print(f"收到来自 {client_address} 的消息: {message}")
            
            # 回显消息给客户端
            response = f"服务器已收到: {message}"
            server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_address)

if __name__ == "__main__":
    udp_server()

2. UDP 客户端 (`udp_client.py`)

import socket

def udp_client():
    # 创建 UDP Socket 对象
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    # 服务器地址和端口
    server_address = ('localhost', 9999)
    
    try:
        # 发送消息到服务器（无需先连接）
        message = "Hello, UDP Server!"
        client_socket.sendto(message.encode('utf-8'), server_address)
        
        # 接收服务器响应
        data, server = client_socket.recvfrom(1024)
        print(f"收到服务器 {server} 的响应: {data.decode('utf-8')}")
    
    finally:
        # 关闭 Socket
        client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    udp_client()

3）运行

TCP 通信测试

启动服务器：

python3 tcp_server.py

启动客户端（新终端）：

python3 tcp_client.py

观察输出：

服务器显示：接受来自 ('127.0.0.1', xxxx) 的连接 和收到的消息。
客户端显示：收到服务器响应: 服务器已收到: Hello, TCP Server!

UDP 通信测试

启动服务器：

python3 udp_server.py

启动客户端（新终端）：

python3 udp_client.py

观察输出：

服务器显示：收到来自 ('127.0.0.1', xxxx) 的消息: Hello, UDP Server!
客户端显示：收到服务器 ('127.0.0.1', 9999) 的响应: 服务器已收到: Hello, UDP Server!

4）区别对比

特性	TCP 实现	UDP 实现
连接建立	需要 `connect()` 和 `accept()`	无需连接，直接发送
数据收发	使用 `send()`/`recv()`	使用 `sendto()`/`recvfrom()`
可靠性	可靠（自动处理丢包、重传）	不可靠（可能丢包）
关闭方式	需要显式关闭客户端连接	直接关闭 Socket
适用场景	文件传输、网页浏览	实时音视频、游戏

5)tcp聊天应用

TCP 聊天服务器 (`tcp_chat_server.py`)

import socket
def tcp chat server():
# 创建TCP 服务器 Socket
server socket=socket.socket(socket.AF INET, socket.SOCK STREAM)
server_socket.bind(('127.0.0.1'，12345))# 绑定 IP 和端口
server socket.listen(5)#开始监听
print('Server is waiting for connection...'
client_socket,client_address=server_socket.accept()# 接受客户端连接
print(f'Connection established with {client address}')
while True:
#接收客户端消息
message =client_socket.recv(1024)#接收消息if not message:
break #如果没有接收到消息，则退出
print('Client:'，message.decode('utf-8'))#打印客户端消息response=input('You:')#从服务器端输入回应
client socket.send(response.encode('utf-8'))#发送回应给客户端
8 def receive_messages
#*“接收井显示服务器
while True
try
me55age
print(mes
except
client_socket.close()#关闭客户端连接
server_socket.close()#关闭服务器连接
if_name_=='main'
tcp_chat server()

TCP 聊天客户端 (`tcp_chat_client.py`)

import socket
def tcp chat client():
# 创建TCP 客户端 Socket
client socket =socket.socket(socket.AF INET, Socket.SOCK STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1'，12345))#连接服务器
while True:
message=input('You:')#从用户输入获取消息if message.lower()=='exit':#输入exit 退出聊天
break
client socket.send(message.encode('utf-8'))#发送消息
response=client_socket.recv(1024)#接收服务器响应
print('Server:'，response.decode('utf-8'))# 打印服务器响应
client socket.close()
if_name_=='_main_':
tcp_chat_client()