Python网络编程之udp编程、黏包以及解决方案、tcpserver

简介: Python网络编程之udp编程、黏包以及解决方案、tcpserver

1、UDP协议编程

Hello,大家好我是景天,上一章我们聊打了Python网络编程,详细介绍了基于TCP协议的编程。TCP协议,每次都要经过三次握手才能建立连接,效率比较低。有没有更快的数据传输方式呢?

今天我们就一起谈谈UDP。

1.udp协议发送数据

udp与tcp基本一样,就是协议类型改下即可

udp第一次只能客户端发送数据,服务端接收到后,知道了客户端的ip和端口,服务端才能给客户端发数据

(1)UDP协议 服务端

import socket 

# 1.创建udp对象
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

# 2.在网络中注册该主机(绑定ip和端口号)
sk.bind( ("127.0.0.1",9000) )

# 3.收发数据的逻辑
"""udp协议下,默认第一次只能接收数据(没有三次握手,不清楚对方的ip和端口号)"""
# 接受数据
msg , addr  = sk.recvfrom(1024)
print(msg.decode())
print(addr)

# 发送数据
sk.sendto( "我喜欢你个锤子".encode()  , addr )

# 4.关闭连接
sk.close()

(2)UDP协议 客户端

import socket 

# 1.创建udp对象
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

# 2.收发数据的逻辑
# 发送数据
msg = "你喜欢我么~"
# sendto(  二进制字节流 , ip端口号  )
sk.sendto(   msg.encode() ,  ("127.0.0.1",9000) )

# 接受数据
msg , addr = sk.recvfrom(1024)
print(msg.decode())
print(addr)

# 3.关闭连接
sk.close()

(3)服务端详解:

#导入模块

import socket

#1.创建socket对象,协议类型用 type关键字来标识。udp的类型是socket.SOCK_DGRAM

udp_server = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

#2.绑定ip和端口

udp_server.bind((“127.0.0.1”,9020))

#3.收发数据,udp是无连接的协议,不需要建立三次握手。第一次只能接收数据

“”“udp协议下,默认第一次只能接收数据(没有三次握手,不清楚对方的ip和端口号)”“”

#接收数据

msg , addr = udp_server.recvfrom(1024)

print(msg.decode())

print(addr)

#在取到客户端的ip和端口号之后,可以发送数据

udp_server.sendto( “我喜欢你个锤子”.encode() , addr )

#4.关闭连接

udp_server.close()

(4)客户端详解

#导入模块

import socket

#1.创建udp——socket对象

udp_client = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

#2.发收数据

msg = “你喜欢我么~”

#sendto( 二进制字节流 , ip端口号 )

udp_client.sendto( msg.encode() , (“127.0.0.1”,9020) )

#接受数据

msg , addr = udp_client.recvfrom(1024)

print(msg.decode())

print(addr)

#3.关闭连接

udp_client.close()

客户端打印:

启用多个客户端:

可见,多个客户端都可以与服务端建立连接,不必等四次挥手断开连接。tcp服务端在与之前的客户端连接不断开的情况下,别人是无法连接上来的。upd可以

客户端打印

服务端默认先回复上次连接的客户端,input是个阻塞程序。服务端收到一个后,需要打字输入后,才能收到下一个客户端的消息

上一次发送消息是谁,服务端就把它的ip和端口号拿过来,回复过去

但凡涉及到聊天,聊天室,都采用udp协议

上传下载,保证数据不丢包采用tcp协议

2、tcp黏包

1.tcp协议在发送数据时,会出现黏包现象.

(1)数据粘包是因为在客户端/服务器的发送端和接收端都会有一个数据缓冲区,
缓冲区用来临时保存数据,默认空间都设置较大。在收发数据频繁时,由于tcp传输消息的无边界特点,不清楚应该截取多少长度,导致客户端/服务器端,都有可能把多条数据当成是一条数据进行截取,造成黏包

(2)发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的,TCP为提高传输效率,发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个数据包。若连续几次发送的数据都很少,通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一包后在发送,这样接收方就收到了粘包数据。

(3)接收方引起的粘包是由于接收方用户进程不及时接收数据,从而导致粘包现象。这是因为接收方先把收到的数据放在系统接缓冲区,用户进程从该缓冲区取数据,若下一个数据包到达时,上一个数据包尚未被用户进程取走,则系统可能把多条数据当成是一条数据进行截取

总结: TCP协议是面向连接的无边界协议

黏包现象一:
    在发送端,由于在缓冲区两个数据小,发送的时间隔短,TCP会根据优化算法把这些数据合成一个发送
    
黏包现象二:
    在接收端,由于在缓冲区没及时接受数据,截取数据时把多次发送的数据截取成一条,形成了黏包 

2.黏包对比:tcp和udp

#tcp协议:

缺点:接收时数据之间无边界,有可能粘合几条数据成一条数据,造成黏包

优点:不限制数据包的大小,稳定传输不丢包

#udp协议:

优点:接收时候数据之间有边界,传输速度快,不黏包

缺点:限制数据包的大小(受带宽路由器等因素影响),传输不稳定,可能丢包

#tcp和udp对于数据包来说都可以进行拆包和解包,理论上来讲,无论多大都能分次发送

但是tcp一旦发送失败,对方无响应(对方无回执),tcp可以选择再发,直到对应响应完毕为止

而udp一旦发送失败,是不会询问对方是否有响应的,如果数据量过大,易丢包

3.解决黏包问题

#解决黏包场景:

应用场景在实时通讯时,需要阅读此次发的消息是什么

#不需要解决黏包场景:

下载或者上传文件的时候,最后要把包都结合在一起,黏包无所谓.

模块 socketserver

#网络协议的最底层就是socket,基于原有socket模块,又封装了一层,就是socketserver

socketserver 为了实现tcp协议,server端的并发.

黏包现象:

(1)发送端,数据小,时间间隔短,造成黏包

(2)接收端,没有及时接受数据,可能把多次发送的数据当成一条截取.

案例。服务端分两次发型数据,发送的数据小,时间间隔较短。容易造成黏包。但是最新版的python3.11.2 多次发送时间短,也不会出现黏包

只有接收端,没有及时接收,才把多次发送的数据当成一条数据来接收

客户端收到时,如果接收不及时,会把两次发的,一次性收到打印出来,第二次接收没收到数据。第二次数据黏到第一次数据里面了

常规解决办法思路,多次发送数据时,加个时间间隔,但这种方法不可取,太耽误时间,影响程序运行速度

1.发送时,人为设置边界。第一步、先把要发送的数据大小发送过去。下面要发送的数据,都按这个长度截取。 第二步、发送真实的数据

接收时,第一步,先接受接下来要发送的数据的总大小 第二部,在接受真实的数据

可以解决黏包问题

但,我们每次发送的数据每次不一定一样,长度不一,不能能每次都去数

4.生产中,我们使用struct模块来解决黏包问题

struct 模块使用

基于 struct 模块–解决粘包问题的思路

先将真实的数据打包成固定长度的包;

先把固定长度的包发送过去;

接收后解包得到真实数据的长度;

接收真实数据

import struct

pack 打包

把任意长度数字转换成具有固定4个字节长度的字节流

unpack 解包

把4个字节长度的值恢复成原来的数字,返回元组

(1)pack

#i => int 要转换的当前类型是整型

pack()方法

pack()方法将任意长度的 数字 打包成新的数据,这个新数据的长度是固定。把任意长度数字转换成4个字节长度的字节流

pack()方法 第一个参数是数据格式,第二个参数是整数(数据的长度,转化成字节流后计算长度)

—返回值是一个新的字节流数据

使用pack长度也不是任意大,取值范围: -21亿~21亿左右 控制在1.8G之内 根据是int 32位机器的取值范围 2^31

MTU,链路层最大传输单元 最大1500

是包或帧的最大长度,一般以字节记。如果MTU过大,在碰到路由器时会被拒绝转发,因为它不能处理过大的包。

如果太小,因为协议一定要在包(或帧)上加上包头,那实际传送的数据量就会过小,这样也划不来。

大部分操作系统会提供给用户一个默认值,该值一般对用户是比较合适的。

res = struct.pack(“i” , 999999998)

print(res , len(res))

res = struct.pack(“i” , 1111111119)

print(res , len(res))

res = struct.pack(“i” , 3)

print(res , len(res))

res = struct.pack(“i” , 2000000000)

print(res , len(res))

把任意长度数据转换成4个字节长度的字节流。所以我们可以将数据打包,通过struct取其返回的长度,然后发送时按这个长度发送

struct.pack()返回的就是字节流,可以将任意长度的数据转换成4个字节长度的数据

(2)unpack

#i => 把对应的数据转化成整型

unpack()方法

unpack()方法将固定长度的 数字 解包成打包前数据真实的长度

unpack()方法 第一个参数是数据格式,第二个参数是 pack()方法打包后生成的新数据

返回值是一个元组,元祖中放着打包前数据真实的长度

tup = struct.unpack(“i” , res)

print(tup) #(2000000000,)

print(tup[0])

#解决黏包场景:

应用场景在实时通讯时,需要阅读此次发的消息是什么

#不需要解决黏包场景:

下载或者上传文件的时候,最后要把包都结合在一起,黏包无所谓.

这样,不论数据发送多长,struct都可以动态的取出其长度,打包成4个字节长度

接收时,先接收4个字节长度的数据,再接收真实数据。可以彻底解决黏包问题

服务端

客户端

3、socketserver模块

#网络协议的最底层就是socket,基于原有socket模块,又封装了一层,就是socketserver

socketserver 为了实现tcp协议,server端的并发. 内部实现是多线程

使用时,需要继承该模块中的方法

也可以使用udp:

1.server配置

#网络协议的最底层就是socket,基于原有socket模块,又封装了一层,就是socketserver

socketserver 为了实现tcp协议,server端的并发. 内部实现是多线程

import socketserver

class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):

#该方法名是固定的,不能变.系统自动调用。里面我们可以自定义收发数据的逻辑

def handle(self):

print(self.request)

print(self.client_address)

#实例化socketserver里面的ThreadingTCPServer类 ( ip端口号 , 自定义的类 )

server = socketserver.ThreadingTCPServer((“127.0.0.1”,8898),MyServer)

#调用内部相关函数,服务器一直运行

server.serve_forever()

继承父类,可以使用父类的构造方法

2.socketserver 与socket中的属性比较

self.request <=> conn tcp_server.accept()中的第一个返回值,新的套接字 等价 用来收发数据

self.client_address <=> addr (ip和端口)tcp_server.accept()中的第二个返回值

3.socketserver端口复用

#设置端口复用,更快释放端口

socketserver.TCPServer.allow_reuse_address = True

用了socketserver。服务端,只需要继承系统的类,不用自己创建socket对象。不用监听端口,端口复用,不用四次挥手,关闭套接字服务,这些都是继承的类完成

只需要实例化对象,绑定端口。

自己写收发逻辑即可

收发逻辑写在handle()方法里面,该方法继承了父类,方法名不能更改,系统自己调用

可以修改的点如下箭头指的地方:

客户端,服务端,收发数据必须交错,即是客户端要是先发,服务端就得先收。服务端先发,客户端就得先收

不能同时先收或先发

客户端发送

服务端接收

循环发收,以前通过socket,当服务端与客户端没有断开连接时,其他客户端不能再与服务端建立连接

现在通过socketserver可以实现,并发

可以同时添加多个客户端,而且都能接收到服务端发来的消息



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