Python——网络编程及通信协议

网络编程及通信协议

⚠️什么是通信协议？

协议及规则，有了Internet协议，任何私有网络，只要支持这个协议，就可以接入互联网

1.通信协议

（1）TCP/IP协议

• TCP协议，即传输控制协议，是建立在IP协议基础之上的。TCP协议负责两台计算机之间建立可靠的联系，保证数据包按顺序发送到

• 常见协议

层级	协议示例	功能描述
应用层	HTTP, FTP, SMTP	定义应用程序如何传输数据
传输层	TCP, UDP	提供进程间的数据传输服务
网络层	IP, ICMP	提供主机之间的寻址与路由服务
网络接口层	Ethernet, PPP	定义物理传输方式，如以太网等等

（2）UDP协议

• UDP协议又被称为用户数据包协议，它是面向无连接的协议，只要知道对方的IP地址和端口，就可以直接发送数据包，由于是面向无连接的，所以无法保证数据一定会到达接受方

（3）两者区别

	TCP协议	UDP协议
连接方面	面向连接的	面向无连接
安全方面	传输信息可靠，不丢失，按顺序到达	无法保证不丢包
传输效率方面	相对较低	传输效率高
连接对象数量方面	只能是点对点，一对一	支持一对一，一对多，多对多的交互通信

2.网络编程

2.1 基础

（1）Socket

Socket 是“套接字”，是操作系统提供的一个编程接口，用于在不同主机/进程之间进行通信。

• 本质上是一个文件描述符，既可读也可写。
• 支持 TCP（SOCK_STREAM）和 UDP（SOCK_DGRAM）通信。

描述IP地址和端口号

• 常用方法

方法名称	功能描述
bind((ip, port))	绑定IP地址和端口
listen(N)	开始TCP监听，N表示操作系统挂起的最大连接数量，取值范围在1-5之间，一般设置为5
accept()	被动接收TCP客户端连接，阻塞式
connect((ip,port))	主动初始化TCP服务器连接
recv(size)	接收TCP数据，返回值为字符串类型，size表示要接收的最大数据量
send(str)	发送TCP数据，返回值是要发送的字节数量
sendall(str)	完整发送TCP数据，将str中的数据发送到连接到套接字，返回之前尝试发送所有数据，成功则为None，失败抛出异常
recvfrom()	接收UDP数据，返回值为一个元组（data,address),data表示接收的数据，address表示发送数据的套接字地址
sendto(data,(ip,port))	发送UDP数据，返回值是发送的字节数
close()	关闭套接字

（2）TCP编程

⚠️一定要先运行服务器端再运行客户端

• 服务端（接收数据的过程）
  1. 使用socket类创建一个套接字对象
  2. 使用bind((ip,port))方法绑定IP地址和端口号
  3. 使用listen()方法开始TCP监听
  4. 使用accept()方法等待客户端的连接
  5. 使用recv()/send()方法接收/发送数据
  6. 使用close()关闭套接字

from socket import socket,AF_INET,SOCK_STREAM 
#从socket模块中导入socket类
#AF_INET 用于Internet之间的进程通信
#SOCK_STREAM  表示使用 TCP 编程

#（1）创建socket对象
server_socket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

#（2）绑定IP地址和端口
ip='127.0.0.1'
port=8888 #不要和系统的一些端口一样，比如MYSQL端口是3306
server_socket.bind((ip,port)) #里面是元组类型

#（3）使用listen()进行监听
server_socket.listen(5)
print('服务器已经启动')

#（4）等待客户端的连接
client_socket,client_addr=server_socket.accept() #系列解包赋值

#（5）接收来自客户端的数据
data=client_socket.recv(1024) #1024个数据
print('客户端发过来的数据为:',data.decode('utf-8')) #要求客户端发过来的数据都是使用utf-8进行编码的

#（6）关闭socket
server_socket.close()

• 客户端（发送数据的过程）
  1. 使用socket类创建一个套接字对象
  2. 使用connect((host,port))设置连接主机IP和主机设置的端口号
  3. 使用recv()/send()方法接收/发送数据
  4. 使用close()关闭套接字

import socket
#（1）创建socket对象
client_socket=socket.socket()

#（2）IP地址和主机端口（服务器）,向服务器端发动连接请求
ip='127.0.0.1'
port=8888  #必须与服务器上的是一样的
client_socket.connect((ip,port))
print('---------与服务器连接建立成功-------------')


#（3）发送数据
client_socket.send('welcome to China'.encode('utf-8'))

#（4）关闭
client_socket.close()
print('发送完毕')

（3）UDP编程

特点：

• 没有连接过程，收发方独立
• 适合广播、多播、实时性要求高的应用
• 应注意数据包大小限制（一般不超过 512 或 1024 字节）

⚠️先运行接收方，再运行发送方

• 接收方

from socket import socket,AF_INET,SOCK_DGRAM
#（1）创建socket对象
recv_socket=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#（2）绑定IP地址和端口
recv_socket.bind(('127.0.0.1',8888))

#（3）接收来自发送方的数据
recv_data,addr=recv_socket.recvfrom(1024)
print('接收到的数据为:',recv_data.decode('utf-8'))

#（4）准备回复对方的数据
data=input('请输入要回复的数据')

#（5）回复
recv_socket.sendto(data.encode('utf-8'),addr)

#（6）关闭
recv_socket.close()

• 发送方

from socket import socket,AF_INET,SOCK_DGRAM
#（1）创建socket对象
send_socket=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#（2）准备发送的数据
data=input('请输入要发送的数据')

#（3）指定接收方的IP地址和端口
ip_port=('127.0.0.1',8888)

#（4）发送数据
send_socket.sendto(data.encode('utf-8'),ip_port)

#接收来自接收方的回复数据
recv_data,addr=send_socket.recvfrom(1024)
print('接收到的数据是',recv_data.decode('utf-8'))

#（5）关闭socket对象
send_socket.close()

补充：广播通信示例（发送端）

s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
s.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, 1)  # 开启广播
s.sendto(b'Hello, network!', ('255.255.255.255', 9999))

2.2 异常处理

拓展：异常处理（服务端示例）

try:
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    data = client_socket.recv(1024)
    print("收到数据:", data.decode('utf-8'))
    client_socket.send("收到！".encode('utf-8'))
except Exception as e:
    print("连接出错：", e)
finally:
    server_socket.close()

2.3 网络编程应用场景

场景	所用协议	特点说明
网站/网页访问	TCP+HTTP	三次握手，保证页面完整加载
网络直播/语音通信	UDP+RTP	低延迟，允许一定数据丢失
聊天软件（如QQ）	TCP+UDP	登录/文件传输用 TCP，语音/视频用 UDP
FTP文件传输	TCP+FTP	高可靠性传输大文件
网络游戏	UDP	要求低延迟、轻微丢包可接受

---

2.4 补充概念

• 三次握手：客户端 → 服务端（SYN） → 确认（SYN+ACK） → 客户端确认（ACK）
• 四次挥手：断开 TCP 连接的标准过程
• 端口号：用于标识主机上的具体服务（0-65535）
  • 常见端口如 HTTP：80，HTTPS：443，MySQL：3306