2 socket模塊-UDP

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TCP/IP協(xié)議中的TCP和UDP協(xié)議都是通過一種名為套接字(socket)來實現(xiàn)網(wǎng)絡功能。套接字是一種類文件對象，它使得程序能夠接受客戶端的連接或者建立對客戶端的連接，用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。不論是客戶端程序還是服務器端程序，為了進行網(wǎng)絡通信，都要創(chuàng)建套接字對象。本章講解UDP協(xié)議用python套接字模塊的實現(xiàn)。

2.1 UDP

2.1.1 udp定義

UDP 是User Datagram Protocol的簡稱，中文名是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是OSI（Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，IETF RFC 768是UDP的正式規(guī)范。UDP在IP報文的協(xié)議號是17。UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對數(shù)據(jù)包進行排序的缺點，也就是說，當報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡應用。包括網(wǎng)絡視頻會議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務器模式的網(wǎng)絡應用都需要使用UDP協(xié)議。

2.1.2 udp特性

（1） UDP是一個無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當它想傳送時就簡單地去抓取來自應用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計算機的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應用程序每次從隊列中讀一個消息段。（2）由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息。（3） UDP信息包的標題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。（5）UDP使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，因此主機不需要維持復雜的鏈接狀態(tài)表（這里面有許多參數(shù)）。（6）UDP是面向報文的。發(fā)送方的UDP對應用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分，也不合并，而是保留這些報文的邊界，因此，應用程序需要選擇合適的報文大小。

雖然UDP是一個不可靠的協(xié)議，但它是分發(fā)信息的一個理想?yún)f(xié)議。例如，在屏幕上報告股票市場、在屏幕上顯示航空信息等等。UDP也用在路由信息協(xié)議RIP（Routing Information Protocol）中修改路由表。在這些應用場合下，如果有一個消息丟失，在幾秒之后另一個新的消息就會替換它。UDP廣泛用在多媒體應用中，例如，Progressive Networks公司開發(fā)的RealAudio軟件，它是在因特網(wǎng)上把預先錄制的或者現(xiàn)場音樂實時傳送給客戶機的一種軟件，該軟件使用的RealAudio audio-on-demand protocol協(xié)議就是運行在UDP之上的協(xié)議，大多數(shù)因特網(wǎng)電話軟件產(chǎn)品也都運行在UDP之上。

2.2 socket模塊函數(shù)

python中實現(xiàn)套接字的基本模塊為socket。一般公共socket()函數(shù)來創(chuàng)建套接字，并進行網(wǎng)絡通信。要使用socket需要導入socket模塊：import socket。一般使用socket.socket()函數(shù)來創(chuàng)建套接字。其語法如下：

socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto)

其中： family為套接字家族名:AN_INET、AF_INET6、AF_UNIX、AF_CAN、AF_RDS;AN_INET默認值代表ipv4。 type為套接字類型：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW;SOCK_STREAM為TCP協(xié)議使用的類型，SOCK_DGRAM為UDP使用的類型。 proto為協(xié)議類型，默認為0 。

常見的socket對象常用的方法有：

bind(address)

其參數(shù)address是由ip和端口組成的元組，如('127.0.0.1', 8888) 。如果ip地址為空，則表示本機，它的作用為綁定端口，使該程序在運行時使用操作系統(tǒng)的固定指定端口。

listen(backlog)

其參數(shù)backlog是指在拒絕連接之前，操作系統(tǒng)允許此程序的最大掛起連接數(shù)量。最小值為0.

accept()

等待進入連接，并返回一個由新建的與客戶端的socket連接和客戶端地址組成的元組，其中客戶的地址是由客戶端ip地址和端口組成的元組。

close()

關(guān)閉套接字，停止連接。

recv(buffersize[, flag])

TCP用于接收遠程連接發(fā)來的信息，并獲取該信息，python3中為bytes類型。buffersize為接收緩沖區(qū)的大小。阻塞函數(shù)

send(data[, flags])

TCP用于發(fā)送數(shù)據(jù)，data為bytes類型，返回值為已經(jīng)發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

recvfrom(buffersize[, flag])

UDP用于接收遠程連接發(fā)來的信息，并獲取該信息，python3中為bytes類型。buffersize為接收緩沖區(qū)的大小。阻塞函數(shù)

sendto(data[, flags])

UDP用于發(fā)送數(shù)據(jù)，data為bytes類型，返回值為已經(jīng)發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

2.3 UDP套接字流程

這幾章為了更好的無負擔學習套接字的客戶端和服務端程序?qū)W習，我們借助非常有名的網(wǎng)絡調(diào)試助手來充當服務器或者客戶端進行配合演示。網(wǎng)絡調(diào)試助手的具體使用可以查看UDP操作https://jingyan.baidu.com/article/20b68a88a9c056796dec625e.html和TCP操作：https://jingyan.baidu.com/article/148a1921dc93e74d71c3b1d7.html。本書采用mac的網(wǎng)絡調(diào)試助手演示，其他系統(tǒng)的可以查看百度鏈接。

udp01.png

udp02.png

根據(jù)UDP協(xié)議的無連接特點，一般客戶端僅僅需要創(chuàng)建套接字、數(shù)據(jù)收發(fā)、關(guān)閉套接字三個部分就可以完成了。服務器由于需要給眾多客戶端一個明確的連接地址和端口，所以需要額外的綁定端口操作。下圖為UDP客戶端和UDP服務器之間的通信流程。

udp03.png

udp通信模型中，在通信開始之前，不需要建立相關(guān)的鏈接，只需要發(fā)送數(shù)據(jù)即可，類似于生活中，"寫信"/“發(fā)短信“。

socket_udp_xinxiang.png

2.4 UDP客戶端實現(xiàn)

需求實現(xiàn)：

向服務器發(fā)送一條數(shù)據(jù)，并接收來自服務器的數(shù)據(jù)，并打印

根據(jù)流程圖書寫模塊代碼

導入套接字模塊

import socket

創(chuàng)建UDP套接字

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

發(fā)數(shù)據(jù)

sock.sendto(data, address)

收數(shù)據(jù)

sock.recvfrom(buffersize)

關(guān)閉套接字

sock.close()

完整代碼

'''net01_udp_client.py'''

import socket  # 導入模塊

?

address = ('192.168.234.129', 8080)  # 服務器地址為192.168.234.129，端口號為8080

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # 創(chuàng)建套接字

?

send_data = 'net01_udp_client.py'

print('要發(fā)送的數(shù)據(jù)為', send_data)

?

sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), address)  # 發(fā)送數(shù)據(jù)為bytes類型

?

recv_data = sock.recvfrom(1024) # 接收到的數(shù)據(jù)為兩部分，recv_data[1]為數(shù)據(jù)發(fā)送端的地址，recv_data[2]為接收到的數(shù)據(jù)

print(recv_data[1], '傳送回來的數(shù)據(jù)為：', recv_data[0].decode('utf-8'))

?

sock.close()

實現(xiàn)結(jié)果

socket_udp_client.png

本節(jié)通過mac上運行我們實例中的udp客戶端程序，在虛擬機上用linux上打開網(wǎng)絡助手作為UDP服務器。其中，本地mac的ip為192.168.234.1,在運行時系統(tǒng)自動分配的端口號為58505；虛擬機上的linux系統(tǒng)的ip為192.168.234.129，設定服務器端口號為8080。先讓服務端運行（點擊連接網(wǎng)絡），然后運行程序，可以看到linux上的網(wǎng)絡調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)為net01_udp_client.py；然后通過設置網(wǎng)絡調(diào)試助手上的目標ip和端口為我們的udp客戶端程序運行的ip和端口(192.168.234.1, 58505)，寫入數(shù)據(jù)（我已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)了），點擊發(fā)送;在udp客戶端可以看到成功接收到了來自網(wǎng)絡調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)和相關(guān)地址信息。這樣我們就簡單的實現(xiàn)了udp客戶端的收發(fā)功能和語法學習。

2.5 UDP服務器端實現(xiàn)

需求實現(xiàn)：

從客戶端收到一條數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)頭增加’來自服務器‘字符串，然后一起轉(zhuǎn)發(fā)回客戶端，然后關(guān)閉服務器套接字。

根據(jù)流程圖書寫模塊代碼

導入套接字模塊

import socket

創(chuàng)建UDP套接字

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

綁定端口

sock.bind(address)

收數(shù)據(jù)

sock.recvfrom(buffersize)

發(fā)數(shù)據(jù)

sock.sendto(data, address)

關(guān)閉套接字

sock.close()

完整代碼

'''net02_udp_server.py'''

import socket

?

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

?

address = ('192.168.234.1', 8888)  # 地址：設定服務器要使用端口8888

sock.bind(address)  # 綁定端口

?

recv_data = sock.recvfrom(1024)  # 接收數(shù)據(jù)

send_data = '來自服務器' + recv_data[0].decode()  # 數(shù)據(jù)處理，增加'來自服務器'

sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), recv_data[1])  # 發(fā)送數(shù)據(jù)

?

sock.close()  # 關(guān)閉套接字

實現(xiàn)結(jié)果

本節(jié)通過mac上運行我們實例中的udp服務端程序，在虛擬機上用linux上打開網(wǎng)絡助手作為UDP客戶端。其中，本地mac的ip為192.168.234.1,設定綁定的端口號為8888；虛擬機上的linux系統(tǒng)的ip為192.168.234.129。先運行程序，然后通過網(wǎng)絡調(diào)試助手指定發(fā)送ip和端口，發(fā)送數(shù)據(jù)’服務器你好‘，可以看到linux上的網(wǎng)絡調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)為’來自服務器服務器你好‘。這樣我們就簡單的實現(xiàn)了udp服務端的收發(fā)功能和語法學習。

socket_udp_server.png

如果把上一節(jié)的客戶端所要發(fā)送的目標地址修改為本節(jié)所創(chuàng)建的服務器地址('192.168.234.1', 8888)，我們會發(fā)現(xiàn)它們實現(xiàn)了通信：同一操作系統(tǒng)不同進程間的通信。

# address = ('192.168.234.129', 8080)  # 服務器地址為192.168.234.129，端口號為8080

address = ('192.168.234.1', 8888) # 和net02_udp_server服務器進行通信

socket_udp_for_self.png

2.6 實例：UDP簡易版聊天工具實現(xiàn)

需求實現(xiàn)：

編寫1個程序，有2個功能：1.獲取鍵盤數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給指定方，2.接收數(shù)據(jù)并顯示。進行簡單選擇以上的2個功能調(diào)用實現(xiàn)相應的功能。

根據(jù)流程圖書寫模塊代碼

主程序套接字創(chuàng)建與端口綁定
功能菜單：1、發(fā)送數(shù)據(jù) 2、接收數(shù)據(jù)

功能調(diào)用：如果1，調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)；如果2 調(diào)用接收數(shù)據(jù)函數(shù)

發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù) 輸入數(shù)據(jù)、指定方的ip和端口發(fā)送數(shù)據(jù)

接收數(shù)據(jù)函數(shù) 接收數(shù)據(jù)并打印

socket_udp_chat_1.png

完整代碼

'''net03_udp_chat.py'''

import socket

?

?

def send_message():

   send_data = input('請輸入要發(fā)送的消息：\n')

   send_ip = input('請輸入要發(fā)送的ip：\n')

   send_port = input('請輸入要發(fā)送的端口:\n')

   send_address = (send_ip, int(send_port))

   sock.sendto(send_data.encode('utf-8'), send_address)

?

?

def recv_message():

   recv_data = sock.recvfrom(1024)  # 接收數(shù)據(jù)

   print('從', recv_data[1], '接收的數(shù)據(jù)為：', recv_data[0].decode('utf-8'))

?

?

if __name__ == '__main__':

   sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

?

   address = ('192.168.234.1', 8888)  # 地址：設定服務器要使用端口8888

   sock.bind(address)  # 綁定端口

?

   # 功能菜單顯示

   print('*' * 30)

   print('1、發(fā)送數(shù)據(jù)')

   print('2、接收數(shù)據(jù)')

   print('*' * 30)

   fun_num = input('請選擇并輸入指定數(shù)字：\n')  # 獲取鍵盤選項數(shù)據(jù)

?

   # 輸入判斷

   if fun_num == '1':

       send_message()

   elif fun_num == '2':

       recv_message()

   else:

       print('您輸入的數(shù)據(jù)有誤！程序結(jié)束')

實現(xiàn)結(jié)果

socket_udp_chat.png

本節(jié)運行我們實例中的udp聊天器程序，在虛擬機上用linux上打開網(wǎng)絡助手作為UDP客戶端。其中，我們的udp聊天器的ip為192.168.234.1,設定綁定的端口號為8888；虛擬機上的linux系統(tǒng)的ip為192.168.234.129，設定服務器端口號為8080。從下圖的結(jié)果可以看到，選擇不同的選項會進入不同的模塊，來完成指定功能。此時我們便完成了udp的基本學習。

2.7 小結(jié)

socket_udp_summary.png

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python網(wǎng)絡編程基礎(連載)03 socket-udp

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2 socket模塊-UDP

2.1 UDP

2.1.1 udp定義

2.1.2 udp特性

2.2 socket模塊函數(shù)

2.3 UDP套接字流程

2.4 UDP客戶端實現(xiàn)

2.5 UDP服務器端實現(xiàn)

2.6 實例：UDP簡易版聊天工具實現(xiàn)

2.7 小結(jié)

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python網(wǎng)絡編程基礎(連載)03 socket-udp

2 socket模塊-UDP

2.1 UDP

2.1.1 udp定義

2.1.2 udp特性

2.2 socket模塊函數(shù)

2.3 UDP套接字流程

2.4 UDP客戶端實現(xiàn)

2.5 UDP服務器端實現(xiàn)

2.6 實例：UDP簡易版聊天工具實現(xiàn)

2.7 小結(jié)

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