网络编程之 TCP-UDP的详细介绍

一、TCP协议

1. TCP协议的特点

    1.TCP是面向连接的运输层协议。这就意味着，在使用该协议之前，必须建立TCP连接。在传输数据完毕后，必须释放已经建立的TCP连接。

    2.每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）。

    3.TCP提供可靠交付的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。

    4.TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。
        TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
        在发送时，应用程序在把数据传送给TCP的缓存后，就可以做自己的事，而TCP在合适的时候把数据发出去。
        在接收时，TCP把收到的数据放入缓存，上层的应用进程在合适的时候读取缓存中的数据。

    5.面向字节流。虽然应用程序和TCP的交互试一次一个数据块（注意：大小是不等的），
        但TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流。TCP并不知道所传送的字节流的含义。

2.三次握手、四次挥手

3.代码实现

3.1 使用TCP协议实现简单通信

# 客户端：
import socket

client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
client.send(b"this is client!")
data = client.recv(1024)
print(data)
client.close()

# 服务端：
import socket

server = socket.socket()  # 实例化sever对象-->买手机
server.bind(('127.0.0.1', 8080))  # 绑定ip和端口-->手机卡
server.listen(5)  # 监听 -->打开手机
conn, addr = server.accept()  # 等待建立连接
data = conn.recv(1024)  # 接收数据 --> 打电话
print(data)
conn.send(b"received data!!")
conn.close()  # 关闭连接-->挂电话
server.close()  # 关闭服务器 -->关机

3.2 使用TCP协议实现通信循环

# 客户端：
import socket

client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
while True:
    msg = input(">>>")
    if msg == 'q':
        break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data = client.recv(1024)
    print(data)
client.close()

# 服务端
import socket

server = socket.socket()  # 实例化sever对象-->买手机
server.bind(('127.0.0.1', 8080))  # 绑定ip和端口-->手机卡
server.listen(5)  # 监听 -->打开手机
conn, addr = server.accept()  # 等待建立连接
while True:
    try:
        data = conn.recv(1024)  # 接收数据 --> 打电话
        print(data)
        conn.send(b"received data!!")
    except ConnectionResetError:
        break
conn.close()  # 关闭连接-->挂电话
server.close()  # 关闭服务器 -->关机

3.3 使用TCP协议实现链接循环

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
while True:
    msg = input(">>>")
    if msg == 'q':
        break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data = client.recv(1024)
    print(data)
client.close()

# 服务端
import socket

server = socket.socket()  # 实例化sever对象-->买手机
server.bind(('127.0.0.1', 8080))  # 绑定ip和端口-->手机卡
server.listen(5)  # 监听 -->打开手机  (半连接池)
while True:
    conn, addr = server.accept()  # 等待建立连接
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)  # 接收数据 --> 打电话
            print(data.decode('utf-8'))
            conn.send(b"received data!!")
        except ConnectionResetError:
            break
    conn.close()  # 关闭连接-->挂电话
server.close()  # 关闭服务器 -->关机

3.4 使用TCP协议实现粘包问题

# 客户端
import socket
import struct
import json

client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1', 8090))
while True:
    msg = input(">>>").encode('utf-8')
    if len(msg) == 0:
        continue
    client.send(msg)
    header = client.recv(4)
    # 对头进行解包，获取真实数据的长度
    head_len = struct.unpack('i', header)[0]
    head_dic = json.loads(client.recv(head_len).decode('utf-8'))
    print(head_dic)
    # 对需要接收的数据进行循环接收
    total_size = head_dic['len']
    recv_size = 0
    res = b''
    while recv_size < total_size:
        data = client.recv(1024)
        res += data
        recv_size += len(data)
    print(res.decode("gbk"))

# 服务端
import socket
import subprocess
import struct
import json

server = socket.socket()  # 实例化sever对象-->买手机
server.bind(('127.0.0.1', 8090))  # 绑定ip和端口-->手机卡
server.listen(5)  # 监听 -->打开手机  (半连接池)
while True:
    conn, addr = server.accept()  # 等待建立连接
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024).decode('utf-8')  # 接收数据 --> 打电话
            if len(data) == 0: break  # 针对mac和Linux，客户端异常断开反复收空的情况

            # 生成一个能够读取输出、错误流的对象
            obj = subprocess.Popen(data, shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
            stdout = obj.stdout.read()  # 获得输出流
            stderr = obj.stderr.read()  # 获取错误流

            # 打印输出流+输入流的长度
            print(len(stdout+stderr))
            # 制作一个文件头
            header_dic = {
                'filename': 'cls.avi',
                'len': len(stderr+stdout)  # 错误流 或者 输出流 的长度
            }

            # 序列化文件头字典，得到文件头的二进制文件
            header_bytes = json.dumps(header_dic).encode('utf-8')

            # 制作报头
            header = struct.pack('i', len(header_bytes))  # 将要发送给客户端的数据打包成固定4个字节
            conn.send(header)
            conn.send(header_bytes)
            conn.send(stdout+stderr)

        except ConnectionResetError:
            break
    conn.close()  # 关闭连接-->挂电话

server.close()  # 关闭服务器 -->关机

3.5 解决粘包问题用到的 struct

1.说明
    struct模块中最重要的三个函数是pack(), unpack(), calcsize()
    pack(fmt, v1, v2, ...)    按照给定的格式(fmt)，把数据封装成字符串(实际上是类似于c结构体的字节流)
    unpack(fmt, string)       按照给定的格式(fmt)解析字节流string，返回解析出来的tuple
    calcsize(fmt)             计算给定的格式(fmt)占用多少字节的内存

    struct中支持的格式如下表：
    网址 ： https://www.cnblogs.com/gala/archive/2011/09/22/2184801.html

2.代码实现（例子）
import struct
data = 'datafa'
# 服务端
res = struct.pack('i', len(data))
print(res)  # b'\x06\x00\x00\x00'
print(len(res))  # 4

3.6 解决粘包问题用到的 subprocess

1.说明
subprocess 模块允许你生成新的进程，连接它们的输入、输出、错误管道，并且获取它们的返回码。

class subprocess.Popen(
    args, bufsize=-1, executable=None,
    stdin=None, stdout=None, stderr=None, preexec_fn=None,
    close_fds=True, shell=False, cwd=None, env=None,
    universal_newlines=None, startupinfo=None, creationflags=0,
    restore_signals=True, start_new_session=False,
    pass_fds=(), *, encoding=None, errors=None, text=None)

2.代码实现（例子）：
cmd = r'dir file_list'
obj = subprocess.Popen(
    cmd,
    shell=True,
    stdout=subprocess.PIPE,
    stderr=subprocess.PIPE,
)

stdout = obj.stdout.read()  # 来接住stdout流
print('stdout', stdout.decode('gbk'))  # 打印进程列表

stderr = obj.stderr.read()
print('stderr', stderr.decode('gbk'))

# 当上面的命令出错时，接收错误流
# stderr 'tasklist1' 不是内部或外部命令，也不是可运行的程序或批处理文件。
# stdout 和 stderr同时存在的时候，有一个接收到了数据另一个就不会停止等待

二、UDP协议

1. UDP协议的特点

1.UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接（发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。

2.UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。

3.UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。

4.UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。

5.UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。

6.UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

2. 代码实现

2.1 使用UDP协议实现简单通信

# 客户端
import socket

client = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
data = b'this is client'
server_addr = ('127.0.0.1', 8080)

client.sendto(data, server_addr)
data1, addr1 = client.recvfrom(1024)

print(addr1)
print(data1)
# ('127.0.0.1', 8080)
# b'THIS IS CLIENT'

# 服务端
import socket

server = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)  # udp协议
server.bind(('127.0.0.1', 8080))

while True:
    data, addr = server.recvfrom(1024)
    print(data)
    data = data.decode('utf-8')
    data = data.upper()

    server.sendto(data.encode('utf-8'), addr)

# b'this is client'

2.2 使用UDP协议实现极简版QQ

# 客户端
import socket

client = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
server_addr = ('127.0.0.1', 8080)

while True:
    data = input(">>>:").strip()
    client.sendto(data.encode('utf-8'), server_addr)

    msg, addr = client.recvfrom(1024)
    print(msg.decode('utf-8'))

# 服务端
import socket

server = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(('127.0.0.1', 8080))

while True:
    data, addr = server.recvfrom(1024)
    print(addr)
    print(data.decode('utf-8'))

    re_msg = input(">>>:")
    server.sendto(re_msg.encode('utf-8'), addr)

2.3 socketServer模块可以使TCP通信达到并发效果

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1', 8080))

while True:
    msg = input(">>>:")
    client.send(msg.encode('utf-8'))

    data = client.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

# 服务端
import socketserver

server_addr = ('127.0.0.1', 8080)

class MySock(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        # 通信循环
        while True:
            data = self.request.recv(1024)  # 接收数据
            print(data.decode('utf-8'))
            re_msg = input(">>>:")
            self.request.send(re_msg.encode('utf-8'))

if __name__ == '__main__':
    server = socketserver.ThreadingTCPServer(server_addr, MySock)
    server.serve_forever()