Socket编程全攻略：TCP/UDP通信原理

Socket（套接字）是实现网络通信的核心技术，不管是做客户端/服务端交互、物联网设备通信，还是简单的跨程序数据传输，都离不开Socket编程。

一、先搞懂：Socket、TCP、UDP到底是什么？

1. Socket的核心作用

Socket就像网络通信的“接口”，是连接应用程序和网络协议的桥梁。两台设备要通信，必须先创建Socket对象，通过它完成“数据发送、接收、连接管理”等所有操作——你可以把它理解为“网络版的文件句柄”，只不过读写的是网络数据而非本地文件。

2. TCP vs UDP：两种通信方式的核心差异

TCP和UDP是Socket编程最常用的两种传输层协议，适用场景完全不同，新手必须先分清：

简单来说：需要确保数据100%送达用TCP，追求速度和实时性用UDP。

二、TCP通信实战：可靠的客户端-服务端交互

TCP通信遵循“先建连接，再传数据”的原则，核心流程是：服务端绑定端口并监听 → 客户端发起连接 → 双方建立通道 → 数据双向传输 → 关闭连接。

1. TCP服务端代码（基础版）

import socket

# 1. 创建TCP Socket对象（AF_INET=IPv4，SOCK_STREAM=TCP）
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2. 绑定IP和端口（''表示监听所有本机IP，端口选1024以上未占用的）
server_addr = ('', 8888)
server_socket.bind(server_addr)

# 3. 开始监听（backlog=5，表示最大等待连接数）
server_socket.listen(5)
print("TCP服务端已启动，监听端口8888...")

try:
    # 4. 接受客户端连接（阻塞等待，有连接时返回新的socket和客户端地址）
    conn, client_addr = server_socket.accept()
    print(f"已连接客户端：{client_addr}")

    # 5. 接收客户端数据（bufsize=1024，表示每次最多接收1024字节）
    data = conn.recv(1024)
    # 解码二进制数据为字符串（指定编码，避免乱码）
    print(f"收到客户端消息：{data.decode('utf-8')}")

    # 6. 向客户端发送响应
    response = "已收到你的消息，TCP通信正常！"
    conn.send(response.encode('utf-8'))

finally:
    # 7. 关闭连接（先关通信socket，再关监听socket）
    conn.close()
    server_socket.close()
    print("连接已关闭")

2. TCP客户端代码（基础版）

import socket

# 1. 创建TCP Socket对象
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2. 连接服务端（指定服务端IP和端口）
server_addr = ('127.0.0.1', 8888)  # 本地测试用127.0.0.1，远程用服务端实际IP
client_socket.connect(server_addr)
print("已连接TCP服务端")

try:
    # 3. 向服务端发送数据（需编码为二进制）
    message = "Hello TCP Server!"
    client_socket.send(message.encode('utf-8'))

    # 4. 接收服务端响应
    response = client_socket.recv(1024)
    print(f"收到服务端响应：{response.decode('utf-8')}")

finally:
    # 5. 关闭socket
    client_socket.close()
    print("客户端已关闭")

3. 运行步骤与关键说明

1. 运行顺序：先启动服务端（监听端口），再启动客户端（发起连接）；
2. 核心函数解读：
   • socket.socket()：创建套接字，AF_INET指定IPv4，SOCK_STREAM指定TCP；
   • bind()：服务端绑定IP和端口，IP为空表示监听所有本机网卡；
   • listen()：服务端开始监听，参数为最大等待连接数；
   • accept()：服务端阻塞等待客户端连接，返回新的conn（用于通信）和客户端地址；
   • connect()：客户端主动连接服务端；
   • recv(bufsize)：接收数据，返回二进制字节串，需decode()解码；
   • send(data)：发送数据，需先encode()编码为二进制。

4. TCP进阶：处理多客户端连接（循环监听）

基础版只能处理一个客户端，实际开发需循环监听，用while实现：

# TCP服务端（多客户端版）
import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('', 8888))
server_socket.listen(5)
print("TCP服务端已启动，等待客户端连接...")

while True:
    # 循环接受新连接
    conn, client_addr = server_socket.accept()
    print(f"\n新客户端连接：{client_addr}")
    
    try:
        # 接收数据（循环接收，直到客户端关闭）
        while True:
            data = conn.recv(1024)
            if not data:  # 客户端关闭连接时，recv返回空
                print(f"客户端{client_addr}已断开")
                break
            print(f"收到{client_addr}：{data.decode('utf-8')}")
            # 回复客户端
            conn.send(f"已收到：{data.decode('utf-8')}".encode('utf-8'))
    finally:
        conn.close()

三、UDP通信实战：快速的无连接传输

UDP无需建立连接，直接发送数据报，核心流程：服务端绑定端口 → 客户端直接发送数据 → 服务端接收并响应（可选）。

1. UDP服务端代码

import socket

# 1. 创建UDP Socket对象（SOCK_DGRAM=UDP）
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 2. 绑定IP和端口
server_addr = ('', 9999)
server_socket.bind(server_addr)
print("UDP服务端已启动，监听端口9999...")

try:
    # 3. 接收客户端数据（UDP无需连接，recvfrom返回数据和客户端地址）
    data, client_addr = server_socket.recvfrom(1024)
    print(f"收到客户端{client_addr}：{data.decode('utf-8')}")

    # 4. 向客户端发送响应（需指定客户端地址）
    response = "已收到你的UDP消息！"
    server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_addr)

finally:
    # 5. 关闭socket
    server_socket.close()
    print("UDP服务端已关闭")

2. UDP客户端代码

import socket

# 1. 创建UDP Socket对象
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 2. 直接发送数据（无需连接，指定服务端地址）
server_addr = ('127.0.0.1', 9999)
message = "Hello UDP Server!"
client_socket.sendto(message.encode('utf-8'), server_addr)
print("已发送UDP消息")

try:
    # 3. 接收服务端响应
    data, server_addr = client_socket.recvfrom(1024)
    print(f"收到服务端响应：{data.decode('utf-8')}")

finally:
    # 4. 关闭socket
    client_socket.close()
    print("UDP客户端已关闭")

3. UDP核心差异说明

1. 无连接特性：客户端无需connect()，服务端无需listen()和accept()；
2. 核心函数：
   • recvfrom()：UDP专用，接收数据并获取发送方地址；
   • sendto(data, addr)：UDP专用，发送数据到指定地址；
3. 可靠性：UDP不保证数据送达，若需可靠传输，需自己实现“确认重传”逻辑（如物联网常用的MQTT协议基于UDP扩展了可靠性）。

四、Socket编程常见问题与避坑技巧

1. 端口被占用报错（OSError: [Errno 98] Address already in use）

• 原因：指定的端口已被其他程序占用；
• 解决方案：
  1. 换一个端口（如8888→8889）；
  2. 服务端设置SO_REUSEADDR，允许端口快速复用：

     server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
     

2. 连接超时/拒绝连接（Connection refused）

• 排查步骤：
  1. 检查服务端是否已启动；
  2. 检查服务端IP和端口是否正确；
  3. 检查防火墙是否放行该端口（远程通信需开放端口）；
  4. 本地测试用127.0.0.1，不要用本机公网IP。

3. 数据传输乱码

• 原因：编码/解码格式不一致；
• 解决方案：统一使用utf-8编码，避免混用gbk/ascii：

  # 发送时
  data.encode('utf-8')
  # 接收时
  data.decode('utf-8')
  

4. TCP粘包问题（数据粘在一起接收）

• 原因：TCP是流式传输，多次发送的小数据可能被合并；
• 解决方案：
  1. 固定数据长度（如每次发送1024字节）；
  2. 加分隔符（如\n），接收时按分隔符拆分；
  3. 数据头部加长度标识（专业做法）。

五、实战场景：Socket编程的典型应用

1. 本地程序通信：同一台电脑上的两个Python程序互传数据；
2. 跨设备控制：树莓派（服务端）接收PC（客户端）的控制指令，控制GPIO设备；
3. 简易聊天工具：基于TCP实现一对一文字聊天（循环收发消息）；
4. 实时数据采集：基于UDP采集传感器数据（追求实时性，允许少量丢包）。