使用 Select 的 TCP 和 UDP 服务器

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简介

在服务器-客户端通信方面，通常使用两种协议：TCP 和 UDP。传输控制协议 (TCP) 是一种面向连接的协议，可确保网络设备之间数据包的可靠交付。另一方面，用户数据报协议 (UDP) 是一种无连接协议，它提供更快的数 据传输，但不能保证交付或顺序。

在本文中，我们将探讨如何使用 Python 编程语言构建使用这两种协议的服务器。我们还将讨论在处理多个客户端连接时使用 select() 函数。

设置服务器

为 TCP 和 UDP 协议创建套接字

设置服务器的第一步是为 TCP 和 UDP 协议创建套接字。套接字是促进不同设备或进程通过网络进行通信的端点。对于 TCP，我们使用面向流的协议，这要求我们创建 SOCK_STREAM 套接字。

另一方面，对于 UDP，我们使用面向数据报的协议并创建 SOCK_DGRAM 套接字。在 Python 中，我们可以使用内置的 `socket` 模块创建套接字。

以下代码片段创建了两个套接字：一个用于 TCP 协议，一个用于 UDP 协议。

python 
# Import socket module import socket 
# Create TCP socket tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
# Create UDP socket udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  

将套接字绑定到特定 IP 地址和端口号

创建了两个套接字后，我们需要将它们绑定到特定的 IP 地址和端口号。绑定是必要的，因为它允许客户端在指定的地址和端口号上连接到我们的服务器。

要在 Python 中绑定我们的套接字，我们在每个套接字上调用 `bind()` 方法，并使用两个参数：- 我们的服务器的 IP 地址。

在大多数情况下，这将是我们服务器代码运行的机器的 IP 地址。- 我们想要与我们的服务器关联的端口号。

python # Bind TCP Socket 
tcp_socket.bind(('localhost', 5000)) # Bind UDP Socket 
udp_socket.bind(('localhost', 6000))  

在本例中，我们将 TCP 套接字绑定到端口 5000，同时将 UDP 套接字绑定到本地主机上的端口 6000。

侦听传入连接

成功将我们的套接字绑定到特定的 IP 地址和端口号后，我们需要将其设置为侦听来自客户端的传入连接。换句话说，服务器现在正在等待客户端连接。对于 TCP 协议，我们对 TCP 套接字使用 `listen()` 方法。

此方法接受一个参数- 最大排队连接数- 并开始侦听传入连接。

python 
# Listen for incoming TCP connections tcp_socket.listen(5)  

另一方面，由于 UDP 是无连接协议，因此无需设置侦听模式。我们可以开始接收从发送信息到我们绑定套接字的任何客户端发送的数据。

python # Receive data from UDP clients 
while True: data, addr = udp_socket.recvfrom(1024) 

通过这些步骤，我们已成功使用 TCP 和 UDP 套接字设置了服务器。我们的服务器现在已准备好接受传入的客户端请求并相应地处理它们。

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使用 Select() 处理连接

解释 select() 函数及其参数

select() 函数是一个强大的工具，可以监视多个套接字以获取传入数据或连接。它非常高效且可扩展，使其成为同时处理大量客户端的理想选择。使用 select() 函数的基本语法如下

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);  

这里，nfds 代表“任何集合中编号最高的文件描述符加 1”。文件描述符集由 readfds、writefds 和 exceptfds 表示。

使用 Select() 监视多个套接字以获取传入数据或连接

要使用 select()，首先创建一个要使用 FD_ZERO 和 FD_SET 函数监视的文件描述符集。然后将这些集合作为参数传递给 select() 的调用。一旦调用，select() 将阻塞，直到在指定的一个或多个套接字上发生活动。

Select() 支持阻塞和非阻塞模式，具体取决于它的配置方式。

使用 Accept() 处理新连接

当一个新的客户端尝试通过我们之前创建的 TCP/UDP 协议连接到我们的服务器套接字并且在端口 80（或分配的任何其他端口号）上没有现有的连接时，我们的服务器需要接受此新连接。这可以通过使用 accept() 来完成。

当在侦听套接字上调用且没有等待的活动连接时，此函数将阻塞，直到检测到新的传入连接。

TCP 服务器实现

与客户端建立面向连接的通信

TCP 是一种面向连接的协议，它在服务器和客户端之间建立可靠的通信通道。要建立这样的连接，我们首先需要使用 socket() 系统调用创建 TCP 套接字，然后使用 bind() 将其绑定到地址。

之后，我们使用 listen() 使套接字侦听传入连接。一旦客户端请求连接，accept() 用于接受连接请求并返回一个新的套接字描述符，该描述符将用于与该客户端进行进一步通信。

同时处理多个客户端请求

同时处理多个客户端请求是任何服务器实现中最重要的方面之一。单线程服务器一次只能服务一个客户端，这限制了其可扩展性和性能。为了在我们的 TCP 服务器实现中同时处理多个客户端，我们可以使用多线程或多进程技术。

在多线程方法中，每个新连接都通过创建一个新线程来处理，该线程处理与该特定客户端的所有通信。这允许在一个进程中同时为多个客户端提供服务。

另一方面，在多进程方法中，每个新连接都通过创建一个新进程来处理，该进程处理与该特定客户端的所有通信。这允许在多个进程中同时为多个客户端提供服务。

UDP 服务器实现

与客户端建立无连接通信

在 UDP 服务器中，通信是无连接的。这意味着服务器不会与其客户端建立持久连接。相反，每个客户端都会发送单独的数据报，服务器会独立处理这些数据报。

要设置 UDP 服务器，我们首先创建并绑定一个套接字到 IP 地址和端口号。然后，我们侦听来自多个客户端的传入数据报。

同时处理来自多个客户端的数据报

在 UDP 服务器中使用 select() 函数的一个关键优势是它允许同时处理来自多个客户端的数据报。当数据报到达服务器时，select() 返回与该客户端连接关联的套接字描述符。然后，服务器可以使用 sendto() 函数处理数据并将响应发送回同一客户端。

实施错误处理机制

与 TCP 服务器一样，错误处理机制在 UDP 服务器中至关重要，以确保与客户端进行高效且可靠的通信。UDP 通信中一个常见的问题是由于网络拥塞或其他因素导致的数据包丢失。

为了缓解此问题，我们可以实现诸如校验和和确认消息之类的技术来检测和恢复丢失的数据包。另一个潜在的问题是当多个客户端同时发送过多数据报时发生缓冲区溢出，导致服务器缓冲区溢出并丢失数据。

结论

在本文中，我们讨论了 TCP 和 UDP 协议以及使用这些协议设置服务器的过程。我们还探讨了 select() 函数及其在监视多个套接字以获取传入数据或连接中的用法。

此外，我们还讨论了 TCP 和 UDP 服务器的实现及其各自的优点。select() 函数是一个强大的工具，它允许在面向连接 (TCP) 和无连接 (UDP) 通信中高效地处理多个客户端连接。