Python TCP、UDP、Socket编程

Socket

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络链接”,而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号,再指定协议类型即可。

服务器

和客户端编程相比,服务器编程就要复杂一些。

服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了,服务器就与该客户端建立Socket连接,随后的通信就靠这个Socket连接了。

所以,服务器会打开固定端口(比如80)监听,每来一个客户端连接,就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接,所以,服务器要能够区分一个Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项:服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket。

但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求,所以,每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理,否则,服务器一次就只能服务一个客户端了。

TCP编程

大多数连接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时,主动发起连接的叫客户端,被动响应连接的叫服务器。
TCP连接创建的是双向通道,双方都可以同时给对方发数据。

TCP的优点:
可靠,稳定
TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前,会有三次握手来建立连接,而且在数据传递时,有确认、窗口、重传、拥塞控制机制,在数据传完后,还会断开连接用来节约系统资源
TCP的缺点:
慢,效率低,占用系统资源高,易被攻击
TCP在传递数据之前,要先建连接,这会消耗时间,而且在数据传递时,确认机制、重传机制、拥塞控制机制等都会消耗大量的时间,而且要在每台设备上维护所有的传输连接,事实上,每个连接都会占用系统的CPU、内存等硬件资源。
而且,因为TCP有确认机制、三次握手机制,这些也导致TCP容易被人利用,实现DOS、DDOS、CC等攻击。

  • 服务器端(tcp.py
#encoding: utf-8
'''
    tcp.py 为服务器端
    tcp_user.py 为客户端
    用法:
    接收客户端数据:sock.recv( 1024 )
    向客户端发数据:sock.send( content )
'''
import socket
import threading

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)       # 创建一个基于TCP(SOCK_STREAM)连接的socket对象,指定使用AF_INET协议(IPv4,AF_INET6为AF_INET6)
s.bind(('127.0.0.1', 9999))         # 绑定地址和端口
s.listen(5)                        # 开始监听端口,参数是挂起连接队列的最大长度。

def fun(sock, addr):
    print('Accept new connection from {}'.format(addr))
    sock.send('Hello!'.encode())
    while True:
        data = sock.recv(1024)
        if data == 'exit' or not data:
            break
        sock.send('hello,{}'.format(data).encode())
    sock.close()
    print('Connection closed {}'.format(addr))

# 服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接,accept()会等待并返回一个客户端的连接。
print('Waiting for connection...')
while True:
    sock, addr = s.accept()     # 一个socket对象 和 请求连接的客户端地址
    t = threading.Thread( target=fun, args=(sock,addr) )    # 创建新线程(或进程)来处理TCP连接,否则,单线程在处理连接的过程中,无法接受其他客户端的连接。
    t.start() # 启动线程
  • 客户端(tcp_user.py
#encoding: utf-8
'''
    tcp.py 为服务器端
    tcp_user.py 为客户端
    用法:
    接收服务器数据:s.recv( 1024 )
    向服务器发数据:s.send( content )
'''
import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)       # 创建一个基于TCP连接的Socket对象
s.connect(('127.0.0.1',9999))               # 连接到指定地址和端口,参数是tuple类型

print(s.recv(1024))
for data in ['li','bo','ca']:
    s.send(data.encode())           # 向服务器发送数据
    print(s.recv(1024))             # 每次最多接收1024b(1kb)
s.send('exit'.encode())
s.close()                           # 关闭连接

用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单,对于客户端,要主动连接服务器的IP和指定端口,对于服务器,要首先监听指定端口,然后,对每一个新的连接,创建一个线程或进程来处理。通常,服务器程序会无限运行下去。

UDP编程

相对TCP,UDP则是面向无连接的协议。

使用UDP协议时,不需要建立连接,只需要知道对方的IP地址和端口号,就可以直接发数据包。但是,能不能到达就不知道了。

虽然用UDP传输数据不可靠,但它的优点是和TCP比,速度快,对于不要求可靠到达的数据,就可以使用UDP协议。

UDP的优点:
快,比TCP稍安全
UDP没有TCP的握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制,UDP是一个无状态的传输协议,所以它在传递数据时非常快。没有TCP的这些机制,UDP较TCP被攻击者利用的漏洞就要少一些。但UDP也是无法避免攻击的,比如:UDP Flood攻击
UDP的缺点:
不可靠,不稳定
因为UDP没有TCP那些可靠的机制,在数据传递时,如果网络质量不好,就会很容易丢包。

  • 服务器端( udp.py
#encoding: utf-8
'''
    udp.py UDP服务器
    udp_user.py UDP客户端
    用法:
    接收客户端数据:s.recvfrom(1024)
    向客户端发数据:  s.sendto(content, addr)
'''
import socket
import threading

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)        # 创建一个基于UDP的socket对象
s.bind(('127.0.0.1',9999))      # 绑定地址与端口

def fun(data, addr):
    print('from {},content is {}'.format(addr, data))
    s.sendto('Hi!{}'.format(data).encode(), addr)   # 向客户端返回内容
while True:
    data, addr = s.recvfrom(1024)       #接受客户端发送的内容,创建新线程处理
    t = threading.Thread(target=fun, args=(data,addr))
    t.start()   # 启动线程
  • 客户端(udp_user.py
#encoding: utf-8
'''
    udp.py UDP服务器
    udp_user.py UDP客户端
    用法:
    接收服务器数据:s.recv(1024)
    向服务器发数据:  s.sendto(content, addr)
'''
import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)        # 创建一个基于UDP的socket对象
s.sendto('hello!'.encode(), ('127.0.0.1',9999))             # 向指定服务器与端口号发送内容
print(s.recv(1024))                                         # 接收服务器返回的内容
s.close()                                                   # 关闭连接

UDP的使用与TCP类似,但是不需要建立连接。此外,服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突,也就是说,UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。

例子: TCP实现向服务器上传图片

服务器端:

#encoding: utf-8
import socket
s = socket.socket()
s.bind(("127.0.0.1",9999))  # 绑定
s.listen(5) # 监听

while True:
    conn,address = s.accept()
    conn.send(bytes("文件上传"))

    size = conn.recv(1024)  # 得到文件大小
    file_size = int( str(size) )

    conn.send(bytes("开始传送"))
    has_size = 0
    f = open("recv_yan.jpg","wb")
    while True:
        if file_size == has_size:  # 判断接收的文件大小是否等于实际文件大小
            break
        date = conn.recv(1024)
        f.write(date)
        has_size += len(date)
    conn.send(bytes('传送完成'))
    f.close()

客户端:

#encoding: utf-8
import socket
import os
s = socket.socket()  # 创建
s.connect(("127.0.0.1",9999))  # 连接

print s.recv(1024)

size = os.stat("yan.jpg").st_size  # 获取文件大小
s.send(bytes(str(size)))  # 发送文件大小
print s.recv(1024)
with open("yan.jpg","rb") as f:
    for line in f:
        s.send(line)
print s.recv(1024)

什么时候应该使用TCP??
当对网络通讯质量有要求的时候,比如:整个数据要准确无误的传递给
对方,这往往用于一些要求可靠的应用,比如HTTP、HTTPS、FTP等
传输文件的协议,POP、SMTP等邮件传输的协议。

在日常生活中,常见使用TCP协议的应用如下:
浏览器,用的HTTP
FlashFXP,用的FTP
Outlook,用的POP、SMTP
Putty,用的Telnet、SSH
QQ文件传输

什么时候应该使用UDP??
当对网络通讯质量要求不高的时候,要求网络通讯速度能尽量的快,这时就可以使用UDP。
比如,日常生活中,常见使用UDP协议的应用如下:
QQ语音
QQ视频
TFTP

可供参考文章

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