UDP和TCP套接字（socket）编程实现及原理阐述

socket编程：生成网络应用

本实验为《计算机网络 自顶向下方法》中的编程练习，通过编程实现才能更好的理解计算机如何实现连接和数据发送。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

1、UDP套接字编程

基本说明

运行在不同机器上的进行彼此通过向套接字发送报文来进行通信。当使用UDP时，必须先将目的地址附在该分组之上。目的地址包含什么？–>目的主机的IP地址和目的地套接字的端口号组成。

实现如下客户–服务器应用程序：

（1）客户从其键盘读取一行字符（数据）并将该数据向服务器发送。

（2）服务器接收该数据并将这些字符转换为大写。

（3）服务器将修改的数据发送给客户。

（4）客户接收修改的数据并在其监视器上将该行显示出来。

代码

由于代码进行了详细的注释，窗口较小不便观察。可以复制出来进行理解分析。

客户端程序UDPClient.py创建一个UDP套接字，并在用户输入一段小写字母组成的字符串后，发送到指定服务器地址和对应端口，等待服务器返回消息后，将消息显示出来。

服务端程序TCPServer.py一直保持一个可连接的UDP套接字，在接收到字符串后，将其改为大写，然后向客户端返回修改后的字符串。

UDPClient.py

from socket import * # 导入实现socket套接字的包
serverName = '191.101.232.165' # 服务器地址，可以使用远程服务器。也可以自己选择另一台电脑作为服务器，此处需要输入另一台电脑的IP地址
serverPort = 12000 # 服务器指定的端口
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) # 创建UDP套接字，第一个参数指示了地址簇，AF_INET指示了底层网络使用IPv4协议；第二个参数指示为UDP套接字。值得注意的是没有指定客户套接字的端口号，操作系统会做这件事。因为使用时会创建操作进程
message = input('Input lowercase sentence:').encode() # 内置函数用户输入信息，并编码为bytes以便发送
clientSocket.sendto(message, (serverName, serverPort)) # 打包信息，发送到目的主机(服务器)。目的地址：(serverName, serverPort)，如上所述需要目的IP地址和端口号；而且源地址也会附到分组上，这是自动完成的，不需要显式由代码完成。发送分组后，等待接收来自服务端的数据
modifiedMessage, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048) # 从服务器接收信息，同时也得到服务器地址。分组数据放到modifiedMessage，源地址放在变量serverAddress中(同样包含IP和端口号)
print(modifiedMessage.decode()) # 显示服务器返回的信息
clientSocket.close() # 关闭套接字

UDPServer .py

from socket import *
serverPort = 12000 # 服务器指定的端口
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) # 创建UDP套接字，使用IPv4协议
serverSocket.bind(('',serverPort)) # 将套接字绑定到之前指定的端口
print("The server in ready to receive")
while True: # 服务器将一直等待一个分组（UDP报文）到达
	message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048) # 接收客户端信息，获得地址
	modifiedMessage = message.upper() # 将客户端发来的字符串变为大写
	serverSocket.sendto(modifiedMessage, clientAddress) # 通过已经获得的客户端地址，将修改后的字符串发回客户端

运行结果

先在一台机器上启动服务器程序，然后在另一台机器上启动客户端程序。运行效果如下：

服务器端：

客户端：

2、TCP套接字编程

基本说明

与UDP不同，TCP为面向连接的协议。提供端到端的可靠传输。这就意味着在客户端和服务器端能发送数据之前先要握手（也就是大家熟知的三次握手）和创建一个TCP连接。因此创建TCP连接时，需要将其与客户套接字地址和服务器套接字地址关联起来。当发送数据时，只需要经过套接字将数据放入TCP连接。与UDP不同，UDP在将分组放入套接字之前必须为其附上一个目的地址。

在三次握手期间，客户进程先敲服务器进程的欢迎之门。当服务器收到信息后会生成一个新的套接字，专门用于特定的客户。然后对应专门的客户进行连接会生成新的套接字，称为连接套接字。

欢迎套接字：所有要与服务器通信的客户的起始接触点。

连接套接字：随后为了每个客户通信而生成的套接字。

实现如下客户–服务器应用程序的流程图：

代码

客户端程序TCPClient.py创建一个TCP套接字，然后向指定服务器地址和端口发起连接，等待服务器连接后，再将用户输入的字符串通过套接字发送，其后将服务器返回的消息显示出来。

服务端程序TCPServer.py一直保持一个TCP欢迎套接字，可接收任何客户端的连接请求。在接收到客户端的连接请求后，创建一个新的TCP连接套接字用于单独与该客户通信，同时显示客户端地址和端口。在接收到客户端发来的字符串后，将其改为大写，然后向客户端返回修改后的字符串。 最后，关闭TCP连接套接字。

TCPClient.py

from socket import *
serverName = '191.101.232.165' # 指定服务器地址
serverPort = 12000
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
 # 建立TCP套接字，使用IPv4协议，第二参数为类型声明，和上面UDP套接字不同；
 # 创建客户套接字时没有指定 端口号，操作系统进行该操作
clientSocket.connect((serverName,serverPort)) # 向服务器发起连接，先进行三次握手，然后建立TCP连接；
# 注意和UDP方式对比：UDP直接分组然后发送（sendto）

sentence = input('Input lowercase sentence:').encode() # 用户输入信息，并编码以便发送
clientSocket.send(sentence) # 将信息发送到服务器
modifiedSentence = clientSocket.recvfrom(1024) # 从服务器接收信息
print(modifiedSentence[0].decode()) # 显示信息
clientSocket.close() # 关闭套接字

TCPServer .py

from socket import *
serverPort = 12000
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) # 创建TCP欢迎套接字，使用IPv4协议
serverSocket.bind(('',serverPort)) # 将TCP欢迎套接字绑定到指定端口，等待并聆听客户敲门
serverSocket.listen(1) # 定义最大连接数，至少为1
print("The server in ready to receive")

while True:
	connectionSocket, addr = serverSocket.accept() # 接收到客户连接请求后，调用accept()方法，创建新的TCP连接套接字，由这个客户专用；进行握手后建立一个TCP连接
	print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)
	sentence = connectionSocket.recv(1024) # 获取客户发送的字符串
	capitalizedSentence = sentence.upper() # 将字符串改为大写
	connectionSocket.send(capitalizedSentence) # 向用户发送修改后的字符串
	connectionSocket.close() # 关闭TCP连接套接字

运行效果

先在一台机器上启动服务器程序，然后在另一台机器上启动客户端程序。运行效果如下：

服务器端:

客户端：