Socket TCP 和 UDP 编程基础（Python）

网络编程是现代计算机科学的重要组成部分，而 socket 是 Python 提供的一个模块，用于实现网络通信。本文将详细介绍 TCP 和 UDP 两种通信协议的基础知识，配合 Python 代码示例和图解，让你轻松上手。

一、TCP 和 UDP 概述

1.1 TCP 协议

• 特点：面向连接、可靠传输、适合数据量大且顺序重要的场景。
• 应用：网页浏览、文件传输。

• 通信模型：

  • 客户端发起连接。
  • 服务端接受连接。
  • 双方建立可靠的数据传输通道。

1.2 UDP 协议

• 特点：无连接、快速、不保证可靠传输。
• 应用：视频直播、在线游戏。

• 通信模型：

  • 无需建立连接。
  • 数据直接发送到目标。

二、Python Socket 基础

socket 模块是 Python 提供的网络通信接口，可以实现 TCP 和 UDP 通信。

2.1 常用方法

三、TCP 编程

3.1 TCP 服务端代码

import socket

# 创建 TCP socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(("127.0.0.1", 65432))  # 绑定 IP 和端口
server_socket.listen(5)  # 最大连接数

print("服务端已启动，等待连接...")
conn, addr = server_socket.accept()  # 等待客户端连接
print(f"连接来自: {addr}")

# 接收并发送数据
data = conn.recv(1024).decode("utf-8")
print(f"收到客户端消息: {data}")
conn.send("你好，客户端！".encode("utf-8"))

# 关闭连接
conn.close()
server_socket.close()

3.2 TCP 客户端代码

import socket

# 创建 TCP socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(("127.0.0.1", 65432))  # 连接服务器

# 发送数据
client_socket.send("你好，服务端！".encode("utf-8"))

# 接收数据
data = client_socket.recv(1024).decode("utf-8")
print(f"收到服务端消息: {data}")

# 关闭连接
client_socket.close()

运行结果

• 服务端输出：

  服务端已启动，等待连接...
  连接来自: ('127.0.0.1', 50000)
  收到客户端消息: 你好，服务端！

• 客户端输出：

  收到服务端消息: 你好，客户端！

TCP 通信模型图解

客户端               服务端
  |   connect()       |
  | ----------------> |
  |                   |
  |     accept()       |
  | <---------------- |
  |                   |
  |     send()         |
  | ----------------> |
  |                   |
  |     recv()         |
  | <---------------- |
  |                   |

四、UDP 编程

4.1 UDP 服务端代码

import socket

# 创建 UDP socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server_socket.bind(("127.0.0.1", 65432))  # 绑定 IP 和端口
print("UDP 服务端已启动，等待数据...")

# 接收数据
data, addr = server_socket.recvfrom(1024)
print(f"收到来自 {addr} 的消息: {data.decode('utf-8')}")

# 发送响应
server_socket.sendto("你好，客户端！".encode("utf-8"), addr)

server_socket.close()

4.2 UDP 客户端代码

import socket

# 创建 UDP socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 发送数据
client_socket.sendto("你好，服务端！".encode("utf-8"), ("127.0.0.1", 65432))

# 接收响应
data, addr = client_socket.recvfrom(1024)
print(f"收到服务端消息: {data.decode('utf-8')}")

client_socket.close()

运行结果

• 服务端输出：

  UDP 服务端已启动，等待数据...
  收到来自 ('127.0.0.1', 50000) 的消息: 你好，服务端！

• 客户端输出：

  收到服务端消息: 你好，客户端！

UDP 通信模型图解

客户端               服务端
  |   sendto()        |
  | ----------------> |
  |                   |
  |     recvfrom()     |
  | <---------------- |

五、TCP 与 UDP 的区别

六、综合练习：多人聊天室

服务端代码

import socket
import threading

# 创建服务端
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(("127.0.0.1", 65432))
server_socket.listen(5)
clients = []

def handle_client(conn, addr):
    print(f"新客户端加入: {addr}")
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024).decode("utf-8")
            if not data:
                break
            print(f"{addr}: {data}")
            for client in clients:
                if client != conn:
                    client.send(f"{addr}: {data}".encode("utf-8"))
        except:
            break
    conn.close()
    clients.remove(conn)

print("聊天室启动中...")
while True:
    conn, addr = server_socket.accept()
    clients.append(conn)
    threading.Thread(target=handle_client, args=(conn, addr)).start()

客户端代码

import socket
import threading

def receive_messages(client_socket):
    while True:
        try:
            message = client_socket.recv(1024).decode("utf-8")
            print(message)
        except:
            print("连接已关闭")
            break

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(("127.0.0.1", 65432))

threading.Thread(target=receive_messages, args=(client_socket,)).start()

print("加入聊天室！输入消息开始聊天...")
while True:
    msg = input()
    client_socket.send(msg.encode("utf-8"))

七、总结

通过本文，你应该已经掌握了 Python 中基于 socket 模块进行 TCP 和 UDP 编程的基本方法。无论是构建简单的客户端-服务端模型，还是开发复杂的网络应用，都可以从这些基础知识入手。希望你通过练习能够熟练运用这些技术！