Socket 简介、Python UDP 编程

1. Socket 简介

2. UDP 介绍与代码示例

 

 

1. Socket 简介

网络编程，是指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。

本地的进程间通信（IPC）

例如有：队列、同步（互斥锁、条件变量等）等，这些通信方式都是一台机器上不同进程之间的通信方式。

网络中的进程间通信

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！

在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。

其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

这样利用 IP 地址、协议、端口 就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

Socket

Socket（简称套接字）是一个位于网络中特定节点的服务所具有的标识符，它包含了一个节点地址和一个端口号，用来标识这一服务。

套接字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 Socket 来完成通信的。例如我们每天浏览网页、QQ 聊天、收发 email 等等。

创建 socket

在 python 中使用 socket 模块的函数 socket ：

socket.socket(AddressFamily, Type)

函数 socket.socket 创建一个 socket，返回该 socket 的描述符，该函数带有两个参数：

• Address Family：可以选择 AF_INET（用于 Internet 进程间通信） 或者 AF_UNIX（用于同一台机器进程间通信），实际工作中常用 AF_INET。
• Type：套接字类型，可以是 SOCK_STREAM（流式套接字，主要用于 TCP 协议）或者 SOCK_DGRAM（数据报套接字，主要用于 UDP 协议）。

示例：

>>> import socket
>>> # 创建一个 TCP Socket
>>> tcp_s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
>>> tcp_s  
<socket.socket fd=548, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0>
>>> # 创建一个 UDP Socket
>>> udp_s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
>>> udp_s  
<socket.socket fd=620, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0>

 

2. UDP

2.1 UDP 介绍

UDP(User Datagram Protocol)——用户数据报协议，是一个无连接的、简单的、面向数据报的传输层协议。

特点

• 不具有可靠性的数据报协议。它只是把应用程序传给 IP 层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。
• 由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，包数据顺序乱掉时也没有纠正的功能，再加上 UDP 本身的处理既简单又高效，故而传输速度很快。
• 将数据封装为数据包，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，每个数据包的大小限制在 64K 中。

应用场景：注重速度流畅

UDP 是面向消息的协议，通信时不需要建立连接，数据的传输自然是不可靠的，UDP 一般用于多点通信和实时的数据业务，比如：

• 音视频等多媒体通信（即时通信，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响）
• 广播通信（广播、多播）
• TFTP（简单文件传送）
• SNMP（简单网络管理协议）
• RIP（路由信息协议，如报告股票市场、航空信息）
• DNS（域名解释）

UDP 操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中 client/server 应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用 UDP 会更合理一些。

网络通信过程

2.2 UDP基础示例

发送、接收数据

创建一个 UDP 客户端程序的流程较为简单，具体步骤如下：

1. 创建客户端套接字
2. 发送/接收数据
3. 关闭套接字

示例：UDP 发送方

import socket

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

# 2. 准备接收方的地址
sendAddr = ("192.168.3.4", 8080)

# 3. 从键盘获取要发送的数据
sendData = input("请输入要发送的数据：")

# 4. 发送数据到指定的电脑上
udpSocket.send(sendData.encode(), sendAddr)
# encode()：将 str 转为 bytes。
# decode()：将 bytes 转为 str。如我们从网络或磁盘上读取了字节流，那么读到的数据就是 bytes。

# 5. 等待接收方发送过来的数据
recvData = udpSocket.recv(1024)  # 1024表示本次接收数据的最大字节数

# 6. 显示对方发送的数据
print(recvData)

# 7. 关闭套接字
udpSocket.close()

执行效果：

会变的端口号：

重新运行多次脚本，然后在“网络调试助手”中，看到的现象如下：

• 每重新运行一次网络程序，发送方的端口号会变化，不一样的原因在于，这个数字标识这个网络程序，当重新运行时，如果没有确定到底用哪个，系统默认会随机分配。
• 这个网络程序在运行的过程中，这个IP+端口号就唯一标识了这个程序，所以如果其他电脑上的网络程序如果想要向此程序发送数据，那么就需要向这个数字（即端口）标识的程序发送即可。

 

2.3 UDP 绑定信息

一般情况下，在一台电脑上运行的网络程序会有很多，而各自用的端口号很多情况下也不知道。为了不与其他的网络程序占用同一个端口号，往往在编程中，UDP 的端口号一般不绑定。

但是如果需要做成一个接收方的程序的话，是需要绑定的。正如如果报警电话每天都在变，想必世界就会乱了。所以一般服务性的程序，往往需要一个固定的端口号，这就是所谓的端口绑定。

示例：

import socket

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

# 绑定本地的相关信息，如果一个网络程序不绑定，系统就会随机分配
binAddr = ("", 7788)  # IP地址和端口号，IP一般不用写，表示本机的任何一个IP
udpSocket.bind(binAddr)

# 接收方的地址信息
sendAddr = ("192.168.234.1", 8080)

# 发送数据
sendData = udpSocket.sendto("haha".encode(), sendAddr)

# 等待接收方发送过来的数据
recvData = udpSocket.recvfrom(1024)  # 1024表示本次接收数据的最大字节数

# 显示对方发送的数据
print(recvData)

# 关闭套接字
udpSocket.close()

执行效果：

 

2.4 UDP 小应用

应用 1：echo 服务器，即把接收的数据再发送回去

import socket
import time


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

# 绑定本地的相关信息，如果一个网络程序不绑定，系统就会随机分配
binAddr = ("", 7788)  # IP地址和端口号，IP一般不用写，表示本机的任何一个IP
udpSocket.bind(binAddr)

# 接收方的地址信息
sendAddr = ("192.168.234.1", 8080)

num = 1

def repeat():
    # 等待对方发送来的数据
    recvData = udpSocket.recvfrom(1024)  # 1024即本次接收数据的最大字节数
    # 将接收的数据再次发送回去
    udpSocket.sendto(recvData[0], sendAddr)
    # 统计信息
    print("已经将接收到的第%d个信息返回给对方，数据内容为：%s" % (num, recvData[0].decode()))    

# 若不使用 try..except... 重试机制，而会出现“远程主机强制关闭连接”的报错
while True:
    try:
        repeat()
    except:
        repeat()
    
# 关闭套接字
udpSocket.close()

注意，若出现“ConnectionResetError: [WinError 10054] 远程主机强迫关闭了一个现有的连接”：出现这种原因代表远程过于频繁，所以远程怀疑是恶意攻击。

可以使用 try...except...重试，在报错时重新调用该方法使其重新抓取，直至抓取成功。

执行效果：

应用 2：聊天室

模拟一个聊天室，显示所有接收到的数据。

import socket
import time


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

# 绑定本地的相关信息，如果一个网络程序不绑定，系统就会随机分配
binAddr = ("", 7788)  # IP地址和端口号，IP一般不用写，表示本机的任何一个IP
udpSocket.bind(binAddr)

# 接收方的地址信息
sendAddr = ("192.168.234.1", 8080)


def repeat():
    # 等待对方发送来的数据
    recvData = udpSocket.recvfrom(1024)  # 1024即本次接收数据的最大字节数
    # 打印消息记录
    print("【%s】%s：%s"%(time.ctime(), recvData[1][0], recvData[0].decode()))   


while True:
    try:
        repeat()
    except:
        repeat()
    
    
# 关闭套接字
udpSocket.close()

执行效果：