python基础二十六 网络编程-udp编程

1.Socket编程简介

1.1含义

socket:套接字,通过网路完成进程间通信的方式(区别于一台计算机之间进程通信)

iShot2020-10-16 13.00.30

1.2说明

  • socket本质是编程接口(API) :socket是对TCP/IP协议的封装,socket只是个编程接口不是协议,通过socket我们才能使用TCP/IP协议簇

  • TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是socket编程接口,socket提供了网络通信的能力

  • 套接字之间的连接过程可分为3个步骤:

    • 1.服务器监听
    • 2.客户端请求
    • 3.连接确认

2.创建socket

语法

#导入套接字模块
from socket import *

#创建套接字对象
s = socket(socket.AF_NENT,SOCK_DGRAM)


参数说明
AF_NENT        #指明IPV4
SOCKET_DGRAM        #套接字类型,SOCKET_DGRAM是tcp协议        
SOCKET_STREAM        #套接字类型,SOCKET_STREAM是udp协议

3.socket编程-udp

3.1udp说明

3.1.1概念

UDP:User Data Protocol,用户数据报协议,是一个无连接的简单的面向数据报的传输层协议,udp不提供可靠性,它只是把应用层传给IP层的数据报发出去,但是并不能保证它们能到达目的地,由于udp在传输数据报前不用在客户端和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,故而传输速度很快**

3.1.2udp用处

udp一般用于多点通信和实时的数据业务,比如

  • 语音广播
  • 视频
  • QQ
  • TFTP(简单文件传输)

3.2使用udp发送数据

第一步

发送数据,为看到效果先安装网络调试助手NetAssist(windows安装)

NetAssist初始配置,协议选择UDP,IP地址会自动识别本机地址,端口号任意选择一个可使用的,配置完成后点击连接按钮

iShot2020-10-16 13.00.52

from socket import *

#AF_INET表示IPV4    SOCK_DGRAM表示udp协议
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#NetAssist中的默认编码是gb2312,这里需要指定一下,否则显示的信息会是乱码
s.sendto("你好".encode("gb2312"),("192.168.34.90",8080))

第二步

运行以上代码,会在NetAssist中看到效果

这里可以看到发送的你好已经在NetAssist中收到

iShot2020-10-16 13.01.14

3.3使用udp接收数据

3.3.1udp接收数据

from socket import *
s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)    #创建套接字
addr = ('127.0.0.1', 8888)    #准备接收方地址
data = input("请输入:")
s.sendto(data.encode(),addr)    #等待接收数据
redata = s.recvfrom(1024)    #1024表示本次接收的最大字节数
print(redata)
s.close()

mac和linux中运行程序,输入内容后程序会卡住,原因未知⚠️⚠️⚠️

windows中运行程序,输入内容后会返回如下结果
(b'abc', ('127.0.0.1', 8888))

3.2.2udp绑定信息 bind

如果信息(IP地址、端口号)没有绑定,每发送一次信息,系统会随机分配一个端口,还要避免同一台计算机上的不同进程端口号相同的问题

iShot2020-10-16 13.01.34

绑定信息:让一个进程可以使用固定的端口
一般情况下,发送方不绑定端口,接收方会绑定

from socket import *
s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) #创建套接字
s.bind(('', 8788))   #绑定本机一个端口,ip地址和端⼝号,ip⼀般不⽤写
addr = ('192.168.1.17', 8080)   #准备接收方地址和端口
data = input("请输入:")
s.sendto(data.encode(),addr)
redata = s.recvfrom(1024)        #1024表示本次接收的最⼤字节数
print(redata)
s.close()

3.3.3echo服务器

echo服务器就是发送什么,返回什么

udp接收使用recvfrom方法

from socket import *
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
port = 8888
s.bind(("",port))
rdata = s.recvfrom(1024)
print(rdata)
执行以上代码,程序会等待接受消息


NetAssist端发送消息,程序会接收到如下结果,是一个元组
(b'hehe', ('192.168.34.11', 8080))

结果说明:
b'hehe'    #接收到的是一个字节码
192.168.34.11    #发送方IP地址
8080    #发送方端口

iShot2020-10-16 13.01.57

以下代码为udp无限接收消息

from socket import *
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
port = 8888
s.bind(("",port))    #绑定8888端口,注意这里是一个元组⚠️

while True:
    rdata = s.recvfrom(1024)    #s.recvfrom表示接收的消息,1024表示本次接收的最大字节数
    s.sendto(rdata[0],rdata[1])    #发送数据,rdata[0]是接受的信息,rdata[1]是接收的IP地址和端口

4.使用socket进行网络通信的过程

1.导入socket模块

2.创建套接字对象

3.绑定IP地址和端口号(接收数据时要绑定端口,发送时可以不绑定)

4.发送消息,需要写明接收方的IP和端口号

5.接受消息(接受消息前如果没有进行过通信,需要先发送一次)


以下代码为模拟全双工,python程序发送信息给NetAssist,NetASssist发送信息给python程序,如果发送的信息中包含886、在见、再见等就退出程序

from socket import *
import time
#1创建套接字
udpSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
bindAddr = ("",7088)
udpSocket.bind(bindAddr)#绑定
while True:
    lst = ['886','在见','再见']
    #接收对方发送的数据
    recvData = udpSocket.recvfrom(1024)
    print(recvData)
    print(type(recvData[0].strip()))    #类型是字节
    print(str(recvData[0].strip(), encoding='gb2312'))   #类型是字符串
    if str(recvData[0].strip(),encoding='gb2312') in lst:
        break

    print('[%s] %s.%s' %(time.ctime(),recvData[1],recvData[0].decode("gb2312")))
    a = input("请输入:")
    udpSocket.sendto(a.encode('gb2312'),('192.168.34.11',8080))
    if a in lst:
        break

udpSocket.close()

5.udp广播

5.1概念、分类、示意图

概念

  • udp广播:当前网络上所有电脑的某个进程都收到同一个数据(⚠️tcp没有广播)

分类

  • 单播:点对点
  • 多播:一对多
  • 广播:一对所有

示意图

iShot2020-10-16 13.02.25

5.2配置udp广播

发送方

from socket import *

#创建udp套接字
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#对这个需要发送广播数据的套接字进行修改设置,固定格式,否则不能发送广播数据
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,1)

#<broadcast>代表当前网段的广播地址,编码如果不写就是utf-8
s.sendto("udp广播信息测试".encode(),("<broadcast>",8080))
s.close()

接收方

from socket import *
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
addr = s.bind(("",8080))
recv = s.recvfrom(1024)
print(recv[0].decode())
s.close()

运行过程

1.先运行接收方程序等待接受,程序会卡住直到接收到信息

2.发送方运行程序,向当前网络中发送udp广播,接收程序就会收到发送方的信息

6.基于udp实现的TFTP

6.1TFTP介绍

概念

  • TFTP(Trivial File Transfer Protocol,简单文件传输协议)是TCP/IP协议簇中一个用来在客户端和服务器之间进行简单文件传输的协议

作用

  • 使用TFTP协议,就可以实现简单文件的下载

特点

  • 简单
  • 占用资源小
  • 适合传递小文件
  • 适合在局域网进行传递
  • 端口号为69
  • 基于udp实现

6.2TFTP传输过程

iShot2020-10-16 13.02.46

第一步、客户端向服务端发送读写请求,服务端默认端口udp69

第二步、服务端响应数据包发送给客户端,TFTP数据包有固定的格式

第三步、客户端收到数据包后向服务端返回确认信息ACK


传输过程中涉及的一些问题

  • 服务端向客户端传数据的时候发生丢包怎么办?
    • 如果服务端发送给客户端的数据包发生丢失情况,则服务端会重新发送数据给客户端
  • 客户端向服务端返回的确认信息丢失怎么办?
    • 客户端会重发ACK给服务端,这样服务端才能继续传输数据
  • 客户端如何确定服务端已经全部传输完毕?
    • TFTP协议中,服务端每次会固定向客户端返回516字节的数据(2字节操作码+2字节块编号+512字节真实数据),当客户端接收到的数据小于516字节时,就意味着服务端已经发送完毕了
    • 如果恰好最后一次数据长度为516字节,服务端会再发一个长度为0的数据包
  • TFTP能否保证数据不丢包?
    • TFTP是可以保证数据不丢包的,因为客户端如果没有收到数据服务端会重发数据,服务端没有收到客户端发送的ACK就不会继续发送数据
    • TFTP不能保证数据不丢失,例如,客户端收到的数据小于服务端发送的516字节,这种情况无法做校验

6.3TFTP格式要求

iShot2020-10-16 13.03.10

TFTP格式要求

iShot2020-10-16 13.03.27

6.4TFTP构造下载请求数据

TFTP构造下载请求数据需要根据TFTP读写请求格式来编写

iShot2020-10-16 13.03.43

以下代码为构造TFTP请求数据示例

#需要导入struct模块
import struct

#构造下载请求
filename = "abc.jpg"    //将文件名赋值给变量,方便修改

requestData = struct.pack("!H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312")),1,filename.encode("gb2312"),0,"octet".encode("gb2312"),0)

struct.pack("!H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312")),1,filename.encode("gb2312"),0,"octet".encode("gb2312"),0)

struct.pack是一种打包的方法,打包格式中分为6个部分,第1部分是对后5部分进行的统一说明,后5部分是TFTP读写请求固定格式

  • !H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312"))
  • 1
  • filename.encode("gb2312")#编码方式根据实际情况修改
  • 0
  • "octet".encode("gb2312") #编码方式根据实际情况修改
  • 0

第一部分 "!H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312"))

!表示按照网络传输数据要求的形式来组织数据

H表示将第二部分的1替换成占2个字节

%d是数字占位符,因为后面写了 %len(filename.encode("gb2312")),因此这里的%s就是存放文件名的变量filename中的文件的字节长度,%d后边的b表示字节

5sb是指后边的 octet,sb表示的是字节,octet是5个字节,因此是5sb,这里是固定的格式


第二部分 1

这里的1已经由前边的H替换成2个字节,表示的是上传还是下载,1是下载,2是上传


第三部分 filename.encode("gb2312")

这里表示将文件名编码成二进制,⚠️注意,这里的编码方式要根据实际情况做相应的修改


第四部分 0

这里的0是固定格式


第五部分 "octet".encode("gb2312")

这里的octet是固定格式


第六部分 0

这里的0是固定格式


6.5实现TFTP下载

6.5.1struct模块说明

作用

  • struct模块可以按照指定格式将python数据转换为字符串,该字符串为字节流

struct中的三个重要函数

  • pack 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结构的字节流)

    pack(fmt,v1,v2,...)

    struct.pack("!H8sb5sb",1,"test.jpg",0,"octet",0)

  • unpack 按照给的格式(fmt)解析字节流string,返回解析出来的元组

    unpact(fat,string)

    struct.unpack("!HH",4,p_num)

    cmdTuple = struct.unpack("!HH",recvData[:4])

  • calcsize 计算给定的格式(fmt)占用多少字节


struct模块使用说明图

iShot2020-10-16 13.04.10

6.5.2TFTP下载程序

第一步、设置TFTP服务端

实现TFTP需要用到一个软件Tftpd32,选择共享的目录用来提供下载,选择本机网卡127.0.0.1

iShot2020-10-16 13.04.31


第二步、编写下载器(客户端)

实现TFTP下载器

  • 下载:从服务器上将一个文件复制到本地

  • 下载过程

    • 在本地创建一个空文件,文件名一定要与下载的文件名相同
    • 向空文件中写入接收到的数据,接收一点写入一点
    • 接收完所有数据后关闭文件

编写一个TFTP下载程序

#导入struct模块、socket模块、time模块
import struct
from socket import *
import time

#TFTP中共享的文件及TFTP服务端IP地址分别写入变量中
filename = "xiaohua.jpg"
serverIP = "192.168.34.112"

#利用struck模块的pack方法封装请求数据,代码具体含义在6.4TFTP构造下载请求数据
requestData = struct.pack("!H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312")),1,filename.encode("gb2312"),0,"octet".encode("gb2312"),0)

#创建套接字对象
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

#发送请求数据
s.sendto(requestData,(serverIP,69))

#设置文件句柄,将后续接收的数据写入到文件中,⚠️写入的文件必须与TFTP中共享的文件名相同
f = open(filename,"ab")

#因为不知道要接受的数据有多大,因此写一个while循环循环接收,知道接收完成
while True:
    #接收数据,打印一下看看接收到的内容是什么 
    recvData = s.recvfrom(1024)
    print(recvData)


收到的数据内容如下,是一个元组,分为两个部分
第一部分是 操作码+块编号+真实数据    一共516字节
    操作码:前2个字节
  块编号:前2个字节
  真实数据:512字节
第二部分是    TFTP服务端IP及TFTP向客户端响应数据时用到的随机端口
⚠️TFTP向客户端返回数据时不会使用默认的69端口,会使用一个随机端口,因为69端口还需要向其他客户端响应请求,而后续客户端向服务端返回ACK确认信息时,也需要用到这个随机端口⚠️


(b'\x00\x03\x00\x01FLV\x01\此处省略一万字\x00!modified by youku.com in 20111202\x00\x0chasKeyframes\\x00\x00Aj\xb0\xa6@\x00', ('192.168.34.112', 49373))


\x00\x03\x00\x01FLV
这一部分其实就能看到操作码和块编号,操作码是3(\x03),块编号是1(\x01),文件名是(FLv)

上述代码中已经收到了TFTP响应的数据,接下来获取一下操作码和块编号

#因为不知道要接收的数据有多大,因此写一个while循环循环接收,知道接收完成
while True:
    #接收数据,打印一下看看接收到的内容是什么 
    recvData = s.recvfrom(1024)
    print(recvData)

    #获取操作码和块编号,这里用到了struct模块中的unpack(解包)方法
    caozuoma,kuaibianhao = struct.unpack("!HH",recvData[0][:4])

//获取操作码和块编号代码说明
收到的数据如下
(b'\x00\x03\x00\x01FLV\x01\此处省略一万字\x00!modified by youku.com in 20111202\x00\x0chasKeyframes\\x00\x00Aj\xb0\xa6@\x00', ('192.168.34.112', 49373))

要获取操作码和代码块,需要截取收到的数据的第一部分中的前4个字节
返回的数据的是一个元组
    第一部分是 操作码+块编号+真实数据    一共516字节
        操作码:前2个字节
      块编号:前2个字节
      真实数据:512字节
  第二部分是    服务器IP地址和随机端口


获取到的结果如下,因为还没有向服务器发送ACK确认信息,因此块编号会一直收到1
3 1
3 1
。。。

现在已经获取到了操作码和块编号,接下来就可以写入本地文件以及向服务器发送ACK确认信息了

#先判断一下操作码是否是5,如果是5则就是错误信息
  if caozuoma == 5:
        print("文件不存在!!!")
        break

#将收到的数据写入本地文件,收到的数据的第一部分第4个字节后的512字节就是真实数据
    f.write(recvData[0][4:])

#TFTP协议中每次传输的数据是512字节,这里做一个判断,如果数据小于512字节则说明客户端接收完毕
⚠️这里需要注意一下的是,如果最后一次传输的数据恰好等于512字节,则服务端会再次发送一个数据长度为0的包
    if len(recvData[0]) < 512:
        break

#每次接收512字节数据后,客户端需要向服务端发送一个ACK确认信息,确认信息需要按照固定格式打包      
    ackData = struct.pack("!HH",4,kuaibianhao)

#将打包好的ACK和收到的数据的第二部分(服务器IP及随机端口)返回给服务器
    s.sendto(ackData,recvData[1])

代码说明    
!HH,4,kuaibianhao
!表示按照网络传输数据要求的形式来组织数据,因为TFTP中ACK确认信息是有固定格式的
HH表示将4和块编号替换成4个字节,4表示ACK

iShot2020-10-16 13.04.50


完整代码

import struct
from socket import *
import time
filename = "xiaohua.jpg"
serverIP = "192.168.34.112"
requestData = struct.pack("!H%dsb5sb" %len(filename.encode("gb2312")),1,filename.encode("gb2312"),0,"octet".encode("gb2312"),0)
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
s.sendto(requestData,(serverIP,69))
f = open(filename,"ab")

while True:
    recvData = s.recvfrom(1024)
    print(recvData)
    caozuoma,kuaibianhao = struct.unpack("!HH",recvData[0][:4])
    serverPort = recvData[1][1]
    print(caozuoma,kuaibianhao)

    if caozuoma == 5:
        print("文件不存在!!!")
        break

    f.write(recvData[0][4:])

    if len(recvData[0]) < 512:
        break

    ackData = struct.pack("!HH",4,kuaibianhao)
    s.sendto(ackData,recvData[1])

6.6实现TFTP上传

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