Python 网络编程：TCP 与 UDP 协议详解及实战代码

引言

在万物互联的时代，网络编程已成为开发者必备的核心技能。Python 凭借其简洁优雅的语法和强大的标准库支持，为网络应用开发提供了高效解决方案。本文将深入剖析 TCP 和 UDP 两大核心传输协议，通过代码实例演示其在 Python 中的具体实现，助力开发者构建稳定可靠的网络应用。

一、网络编程核心概念

1.1 协议栈体系

• OSI 七层模型：应用层 -> 表示层 -> 会话层 -> 传输层 -> 网络层 -> 数据链路层 -> 物理层
• TCP/IP 四层模型：应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 网络接口层 ^^[《计算机网络：自顶向下方法》]^^

1.2 Socket 编程

import socket
# 创建TCP Socket
tcp_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 创建UDP Socket  
udp_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

AF_INET指定 IPv4 协议族，SOCK_STREAM面向连接，SOCK_DGRAM无连接

二、TCP 协议深度解析

2.1 协议特性

• 面向连接的三次握手
• 可靠传输机制（ACK 确认、超时重传）
• 流量控制（滑动窗口协议）
• 拥塞控制（慢启动、拥塞避免）

2.2 服务端实现

def tcp_server():
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server.bind(('0.0.0.0', 8888))  # 绑定所有网络接口
    server.listen(5)  # 设置监听队列长度
    
    print("TCP服务端已启动，等待连接...")
    while True:
        client, addr = server.accept()  # 接受客户端连接
        print(f"收到来自 {addr} 的连接")
        
        # 接收数据
        data = client.recv(1024)
        print(f"收到数据：{data.decode()}")
        
        # 发送响应
        client.send(b"Message received!")
        client.close()

if __name__ == '__main__':
    tcp_server()

2.3 客户端实现

def tcp_client():
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client.connect(('127.0.0.1', 8888))  # 连接服务器
    
    # 发送数据
    client.send(b"Hello TCP Server!")
    
    # 接收响应
    response = client.recv(1024)
    print(f"服务器响应：{response.decode()}")
    
    client.close()

if __name__ == '__main__':
    tcp_client()

三、UDP 协议实战应用

3.1 协议特点

• 无连接通信
• 尽最大努力交付
• 支持广播 / 多播
• 首部开销小（8 字节）

3.2 服务端实现

def udp_server():
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    server.bind(('0.0.0.0', 9999))
    
    print("UDP服务端已启动，等待数据...")
    while True:
        data, addr = server.recvfrom(1024)  # 接收数据包
        print(f"收到来自 {addr} 的消息：{data.decode()}")
        
        # 发送响应
        server.sendto(b"UDP Message received!", addr)

if __name__ == '__main__':
    udp_server()

3.3 客户端实现

def udp_client():
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    # 发送数据（无需建立连接）
    client.sendto(b"Hello UDP Server!", ('127.0.0.1', 9999))
    
    # 接收响应
    response, addr = client.recvfrom(1024)
    print(f"收到来自 {addr} 的响应：{response.decode()}")

if __name__ == '__main__':
    udp_client()

四、协议对比与选型指南

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接	无连接
可靠性	可靠传输	尽力而为
传输顺序	保证顺序	不保证顺序
速度	较慢（需要建立连接）	更快
头部开销	20 字节	8 字节
适用场景	文件传输、Web 浏览	视频流、实时游戏

五、高级应用技巧

5.1 多线程服务端

import threading

def handle_tcp_client(client, addr):
    try:
        while True:
            data = client.recv(1024)
            if not data:
                break
            print(f"{addr} 发送：{data.decode()}")
            client.send(data.upper())
    finally:
        client.close()

# 在tcp_server的accept后启动线程
client_thread = threading.Thread(target=handle_tcp_client, args=(client, addr))
client_thread.start()

5.2 超时设置

# 设置接收超时（秒）
socket.settimeout(10.0)
try:
    data = sock.recv(1024)
except socket.timeout:
    print("接收超时")

5.3 数据序列化

import pickle

# 发送对象
data = pickle.dumps({"name": "Alice", "age": 25})
sock.send(data)

# 接收对象
received_data = pickle.loads(sock.recv(1024))

六、安全注意事项

1. 使用SSL/TLS加密通信

   import ssl
   context = ssl.create_default_context(ssl.Purpose.CLIENT_AUTH)
   secure_sock = context.wrap_socket(sock, server_side=True)

2. 防范 DDoS 攻击（限制连接频率）
3. 数据验证（防止缓冲区溢出攻击）
4. 使用防火墙规则限制端口访问

七、性能优化建议

1. 使用selectors模块实现 I/O 多路复用

   import selectors
   sel = selectors.DefaultSelector()
   sel.register(sock, selectors.EVENT_READ, callback)

2. 调整缓冲区大小

   sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_RCVBUF, 4096)

八、结论

掌握 TCP 和 UDP 协议的原理及 Python 实现，是构建现代网络应用的基石。开发者应根据具体场景需求选择合适的传输协议：当需要可靠传输时选择 TCP，追求实时性时选用 UDP。建议通过 Wireshark 等抓包工具实际观察协议交互过程，深入理解协议工作机制。随着对底层机制的深入掌握，可以进一步探索 Twisted、asyncio 等高级框架，构建高性能网络应用。

九、思维导图