【TCP 网络通信（发送端 + 接收端）实例 —— Python】

1. 引言

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它广泛应用于互联网和局域网中，确保数据能够安全、有序地从一个设备传输到另一个设备。本文将通过具体的 Python 实例，详细介绍如何实现 TCP 网络通信中的发送端和接收端。

1. NetAssist网络调试助手
2. Python环境配置

准备工作

在开始编写代码之前，确保您已经安装了 Python 环境。Python 内置的 socket
模块提供了对低级网络接口的访问，因此不需要额外安装任何库。

2. 创建 TCP 服务器（接收端）

服务器端的主要任务是监听来自客户端的连接请求，并与每个连接的客户端进行双向通信。我们将使用多线程来处理多个客户端的并发连接。

2.1 代码示例：TCP 服务器

import socket
import threading
import queue
import time

# 定义服务器地址和端口
HOST = '192.168.1.111'  # 本地回环地址
PORT = 8080        # 非特权端口

# 全局消息队列，用于存储服务器要发送的消息
message_queue = queue.Queue()

# 线程安全的客户端列表，存储所有已连接的客户端套接字
clients = set()

# 锁对象，确保对 clients 集合的操作是线程安全的
lock = threading.Lock()

def handle_client(client_socket, client_address):
    print(f"Connected by {client_address}")

    try:
        while True:
            # 接收来自客户端的数据
            data = client_socket.recv(1024)
            if not data:
                break  # 如果没有收到数据，退出循环
            print(f"Received from {client_address}: {data.decode()}")

            # 发送响应给客户端
            response = f"Server received: {data.decode()}"
            client_socket.sendall(response.encode())

            # 模拟服务器主动发送数据
            time.sleep(5)  # 每隔5秒检查是否有新消息
            with lock:
                if not message_queue.empty():
                    msg = message_queue.get()
                    print(f"Sending to {client_address}: {msg}")
                    client_socket.sendall(msg.encode())
    except Exception as e:
        print(f"Error handling client {client_address}: {e}")
    finally:
        # 关闭客户端连接
        with lock:
            clients.discard(client_socket)
        client_socket.close()
        print(f"Connection with {client_address} closed.")

def broadcast_message(message):
    """将消息发送给所有已连接的客户端"""
    with lock:
        for client in clients:
            try:
                client.sendall(message.encode())
            except Exception as e:
                print(f"Failed to send message to client: {e}")

def start_server():
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as server_socket:
        server_socket.bind((HOST, PORT))
        server_socket.listen()
        print(f"Server listening on {HOST}:{PORT}")

        # 启动一个后台线程，定期检查消息队列并广播消息
        threading.Thread(target=check_and_broadcast_messages, daemon=True).start()

        while True:
            client_socket, client_address = server_socket.accept()
            with lock:
                clients.add(client_socket)
            # 为每个新连接启动一个新的线程来处理
            client_thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(client_socket, client_address))
            client_thread.start()

def check_and_broadcast_messages():
    """定期检查消息队列并广播消息"""
    while True:
        if not message_queue.empty():
            msg = message_queue.get()
            print(f"Broadcasting message: {msg}")
            broadcast_message(msg)
        time.sleep(1)  # 每隔1秒检查一次

if __name__ == "__main__":
    # 启动服务器
    threading.Thread(target=start_server, daemon=True).start()

    # 模拟服务器主动发送消息
    while True:
        msg = input("Enter message to broadcast (or type 'exit' to quit): ")
        if msg.lower() == 'exit':
            break
        message_queue.put(msg)

2.2 代码解释：

• server_socket.bind()：绑定服务器到指定的 IP 地址和端口。
• server_socket.listen()：使服务器进入监听状态，等待客户端连接。
• server_socket.accept()：接受一个客户端连接，返回一个新的套接字对象和客户端地址。
• handle_client()：处理客户端的通信，接收数据并回显给客户端。
• threading.Thread()：为每个新连接启动一个新的线程，以便服务器可以同时处理多个客户端。

运行服务端

客户端响应，发送body1,正常回传。🤞🤞🤞

3. 创建 TCP 客户端（发送端）

客户端的主要任务是连接到服务器，并与服务器进行双向通信。客户端可以发送消息给服务器，并接收服务器的响应。

3.1 代码示例：TCP 客户端

import socket
import threading

# 定义服务器地址和端口
HOST = '192.168.1.101'  # 本地回环地址
PORT = 8080        # 非特权端口

client_socket = None

def receive_messages():
    global client_socket
    while True:
        try:
            # 接收服务器的响应
            response = client_socket.recv(1024).decode()
            if not response:
                break
            print(f"Received from server: {response}")
        except Exception as e:
            print(f"Error receiving message: {e}")
            break

def start_client():
    global client_socket
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect((HOST, PORT))
    print(f"Connected to server at {HOST}:{PORT}")

    # 启动一个线程来接收消息
    receive_thread = threading.Thread(target=receive_messages)
    receive_thread.daemon = True  # 设置为守护线程，主程序退出时自动结束
    receive_thread.start()

    while True:
        # 输入要发送的消息
        message = input("Enter message to send (or type 'exit' to quit): ")
        if message.lower() == 'exit':
            break

        # 发送消息给服务器
        client_socket.sendall(message.encode())

    client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    start_client()

3.2 代码解释：

• client_socket.connect()：连接到指定的服务器地址和端口。
• client_socket.sendall()：发送数据到服务器。
• client_socket.recv()：接收来自服务器的数据。
• input()：从用户输入获取要发送的消息，用户可以输入 exit 来终止程序。

4. 运行示例

1. 启动服务器：

   • 打开一个终端或命令提示符窗口，导航到包含服务器代码的文件夹，然后运行以下命令：

     python tcp_server.py
     

   • 服务器将开始监听指定的端口，并等待客户端连接。

2. 启动客户端：

   • 打开另一个终端或命令提示符窗口，导航到包含客户端代码的文件夹，然后运行以下命令：

     python tcp_client.py
     

   • 客户端将连接到服务器，并允许用户输入消息发送给服务器。

3. 测试通信：

   • 在客户端窗口中输入消息，按回车键发送给服务器。
   • 服务器将接收消息并回显给客户端，客户端会显示服务器的响应。
   • 用户可以继续发送消息，或者输入 exit 来终止程序。
     

服务端接收：

这个只能一发一收，不能连续发或连续收，接下来采用异步就可以实现这个缺陷，而且响应更好

5. 异步 TCP 通信

为了提高性能和响应速度，您可以使用 Python 的 asyncio 库来实现异步 TCP 通信。异步编程模型允许程序在等待 I/O 操作时执行其他任务，从而提高效率。

5.1 异步 TCP 服务器

我们将创建一个异步 UDP 服务器，它不仅可以接收来自客户端的数据包并回显，还可以主动向客户端发送消息。服务器将维护一个客户端列表，并定期检查是否有新消息需要发送给所有已连接的客户端。

import asyncio

# 定义服务器地址和端口
HOST = '192.168.1.111'  # 本地回环地址
PORT = 8080        # 非特权端口

client_address = None

async def handle_client(reader, writer):
    global client_address
    data = await reader.read(1024)
    addr = writer.get_extra_info('peername')
    client_address = addr  # 更新全局的 client_address
    print(f"Received from {addr}: {data.decode()}")
    # 发送响应给客户端
    response = f"Server received: {data.decode()}"
    writer.write(response.encode())
    await writer.drain()
    print(f"Sent to {addr}: {response}")

async def start_server():
    server = await asyncio.start_server(handle_client, HOST, PORT)
    addr = server.sockets[0].getsockname()
    print(f"Server listening on {addr[0]}:{addr[1]}")

    async with server:
        await server.serve_forever()

async def broadcast_message():
    while True:
        msg = await asyncio.to_thread(input, "Enter message to broadcast (or type 'exit' to quit): ")
        if msg.lower() == 'exit':
            break
        if client_address is not None:  # 确保 client_address 已经被设置
            try:
                _, writer = await asyncio.open_connection(*client_address)
                writer.write(msg.encode())
                await writer.drain()
                writer.close()
                await writer.wait_closed()
            except ConnectionRefusedError:
                print("Client is not available.")
        else:
            print("No client connected yet.")

async def main():
    # 启动服务器
    server_task = asyncio.create_task(start_server())
    # 启动广播消息任务
    broadcast_task = asyncio.create_task(broadcast_message())

    await asyncio.gather(server_task, broadcast_task)

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

5.2异步 TCP 客户端

import asyncio

# 定义服务器地址和端口
HOST = '192.168.1.101'  # 本地回环地址
PORT = 8080        # 非特权端口

async def receive_messages(reader):
    while True:
        try:
            # 接收服务器的响应
            response = await reader.read(1024)
            if not response:
                break
            print(f"Received from server: {response.decode()}")
        except Exception as e:
            print(f"Error receiving message: {e}")
            break

async def send_messages(writer):
    while True:
        # 输入要发送的消息
        message = await asyncio.get_event_loop().run_in_executor(None, input, "Enter message to send (or type 'exit' to quit): ")
        if message.lower() == 'exit':
            break

        # 发送消息给服务器
        writer.write(message.encode())
        await writer.drain()

async def start_client():
    reader, writer = await asyncio.open_connection(HOST, PORT)
    print(f"Connected to server at {HOST}:{PORT}")

    # 启动两个任务：一个用于接收消息，一个用于发送消息
    receive_task = asyncio.create_task(receive_messages(reader))
    send_task = asyncio.create_task(send_messages(writer))

    # 等待任一任务完成（即用户输入 'exit' 或连接断开）
    done, pending = await asyncio.wait([receive_task, send_task], return_when=asyncio.FIRST_COMPLETED)

    # 取消所有未完成的任务
    for task in pending:
        task.cancel()
        try:
            await task
        except asyncio.CancelledError:
            pass

    writer.close()
    await writer.wait_closed()

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(start_client())

5.3 代码解释：

• asyncio.Protocol：定义了一个异步协议类，用于处理客户端连接。
• asyncio.open_connection()：异步打开与服务器的连接。
• asyncio.run()：启动异步事件循环并运行主函数。
• 只能输入英文，暂不支持中文

6. 总结

通过上述示例，我们展示了如何使用 Python 实现 TCP 网络通信中的发送端和接收端。同步版本的代码简单易懂，适合初学者；而异步版本则提供了更高的性能和更好的并发处理能力，适用于更复杂的应用场景。🛹🛹🛹

7. 常见问题解答

• Q: 如何处理多个客户端的并发连接？

  • A: 使用多线程或多进程可以处理多个客户端的并发连接。对于更高效的方式，建议使用 asyncio 库来实现异步编程。

• Q: 如何确保数据传输的可靠性？

  • A: TCP 协议本身就是一个面向连接的可靠协议，它会自动处理数据包的丢失、重复和乱序问题。此外，您可以在应用层添加更多的错误检测机制，如校验和或消息确认。

• Q: 如何处理大文件传输？

  • A: 对于大文件传输，建议将文件分块发送，并在每次发送后等待服务器的确认。这样可以确保每一块数据都成功传输，并且可以在出现问题时重新发送。

8. 参考资料

• Python 官方文档 - socket 模块
• Python 官方文档 - asyncio 模块
• TCP/IP 协议详解

从而实现对外部世界进行感知，充分认识这个有机与无机的环境，科学地合理地进行创作和发挥效益，然后为人类社会发展贡献一点微薄之力。🤣🤣🤣

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