套接字和UDP

套接字是网络中不同主机上的应用进程之间的双向通信的端点。每个套接字由一个IP地址和一个端口号组成。套接字采用客户机-服务器架构。服务器监听指定的端口等待客户的请求。服务器收到请求后，接受来自客户机套接字的连接，完成客户机与服务器的连接。小于1024的端口已经被占用，因此我们可选用的端口号范围为（1024,65535）。
UDP是一种只提供了无连接通信，且不对传送的数据包进行可靠性保证的传输层协议。UDP无需在客户机和服务器之间建立连接，客户机向服务器发送请求报文，服务器接收请求报文，向客户机发送响应报文，关闭套接字连接，客户机接受响应报文。

Python实现套接字编程

Python中提供了socket模块用于套接字编程，socket方法可以直接创建一个套接字，需要两个参数协议（AF_INET：IPV4，AF_INET6：IPV6）和套接字类型（SOCK_STREAM：TCP协议，SOCK_DGRAM：UDP协议）。同时服务器端需要用.bind()方法绑定主机IP和端口号。使用UDP发送数据时只能发送ASCII编码的数据，并且发送的数据必须是字节类型，所以在发送数据时可以使用.encode()方法改变字节编码。.sendto()和.recvfrom()方法用来发送和接收数据并且需要设置最大的字节数。

了解Ping命令

Ping是一种计算机网络工具，用来测试数据包能否发送到指定的主机。其原理是向目标主机发送请求报文，并等待接受响应报文，通过发送多个报文，可以计算丢包率和网络实验。
可利用Windows的命令行程序（Win+R，输入cmd即可）进行Ping命令。
（1）Ping谷歌官网（不可达，数据包丢失）

（2）Ping百度官网

（3）ping本主机

注：如何查看本主机IP：在命令行程序中输入 ipconfig /all即可

服务器端程序

# UDP服务器程序：UDPServer.py
# 服务器IP:192.168.0.106
# 客户机IP:192.168.0.103
import random
from socket import *
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)    # 创建服务器套接字
serverSocket.bind(('', 6121))                 # 绑定服务器套接字和端口号
print("服务器已启动......")
while True: // 等待客户机的请求rand = random.randint(0, 10)    # 生成随机数，用于模拟概率丢包/超时message, address = serverSocket.recvfrom(2048)    # 接收客户机的请求报文print("报文 '",message.decode(), "' 接收成功", sep="")if rand < 4:     # 以一定的概率模拟超时print()continueserverSocket.sendto(message.decode().upper().encode(), address)     # 发送响应报文print("报文 '", message.decode().upper(), "' 发送成功\n", sep="")      # 打印响应报文发送成功

服务器端程序代码解析：生成服务器套接字 serverSocket，绑定服务器主机与指定的端口号（此处端口号选用6121），服务器保持等待，等待客户机请求。接收到客户机报文后，以一定概率rand模拟超时丢包，如果rand小于4则让服务器不发生响应报文；否则服务器回传响应报文。

客户机端程序

# UDP客户机程序：UDPClient.py
# 服务器IP:192.168.0.106
# 客户机IP:192.168.0.103
import time
import numpy as np
from socket import *
# 客户机端套接字设置
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)   # 创建客户机套接字
clientSocket.settimeout(1)  # 设置的最大等待时间
serverName = "192.168.0.106"       # 服务器主机
message = ["lxy","hny","python","test","deeplearning","net","face","love","hahaha","lalala"]    # 发送10个Ping报文
success = []      # 存放接收成功的Ping报文对应的时延
print("正在 Ping",serverName,"具有 51 字节的数据:")
# 发送报文
for i in range(10):clientSocket.sendto(message[i].encode(), (serverName,6121))   # 发送Ping报文start = time.perf_counter()    # 计时开始try:modifiedMessage,serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048)   # 等待接收响应Pong报文end = time.perf_counter()  # 计时结束print("来自 ", serverName, " 的回复：报文='", modifiedMessage.decode(),"', 字节=",len(message[i]), ", 时延RTT=", end - start, "s。", sep="")success.append(end-start)   # 将成功接收响应报文对应的时延保存except :     # 异常抛出，程序继续运行print("[Error]:请求超时")
clientSocket.close()    # 关闭客户机套接字## 打印 Ping 的统计信息
print("\n",serverName,"的 Ping 统计信息：\n    数据包：已发送=10 ,已接受=%d ,丢失=%d (%d%% 丢失)"%(len(success),10-len(success),100*(1-len(success)/10)))
if len(success)>0:print("往返行程的估计时间(以秒为单位):\n    最短=%6fs，最长=%6fs，平均=%7fs"%(min(success),max(success),np.mean(success)),sep="")

客户机端程序代码解析：生成客户机套接字，基于服务器主机（使用“127.0.0.1”或者使用IP：192.168.0.103）和端口号向服务器发送10次Ping报文，保持静默等待服务器回复；若客户机能够接收到响应报文则计算时延和输出报文，若不能接收到Pong报文则输出“请求超时”；发送10次Ping报文后，统计10次Ping报文的丢包率和时延。
注：程序中使用time.perf_counter()计时，而不是time.time()是因为前者精度更高。

运行程序步骤

（1）运行服务器程序UDPServer.py，保持服务器在正常工作中，即不能终止程序。
（2）运行客户机程序UDPClient.py。

测试运行结果

（1）客户机程序和服务器程序在同一主机上运行（左为服务器控制台输出，右为客户机控制台输出）

（2）客户机程序和服务器程序在不同主机上运行（左为服务器控制台输出，右为客户机控制台输出）

问题及解决方法

（1）报错：Socket.gaierror: [Error 11001] getaddrinfo failed
主机IP有误，应该选用主机IP而不是主机名
（2）报错：Socket.timeout: timed out
报错的原因是settimeout()函数遇到错误是会直接报错而终止程序的运行的，所以应该加上try……except将异常抛出而不让该函数报错，影响程序的正常运行。
（3）客户机向服务器发送10个Ping报文中，若第一个报文是被服务器忽略而不回复时，客户机程序不会运行下去。
settimeout(1)设置最大等待时间函数的定义位置不准确，一开始是将该定义放在了recvfrom()函数后，正确的做法应该将这个超时异常提前定义。

代码提取

相关代码可在https://github.com/Hny1216/Socket_UDP.git上提取

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