计算机网络-基础编程实验(JAVA\Python3)_计算机网络socket编程实验

        通过本实验，学习采用Socket（套接字）设计简单的网络数据收发程序，理解应用数据包是如何通过传输层进行传送的。

二.实验内容

学习套接字编程，完成以下的网络数据收发程序。

1.采用TCP进行数据发送的简单程序

2.采用UDP进行数据发送的简单程序

3.多线程/线程池对比

4.简单的chat程序，并能实现互传文件

三.实验过程

        使用python语言进行网络数据收发程序的实现。在本机建立客户端和服务器程序，服务器IP使用127.0.0.1。

1.采用TCP进行数据发送的简单程序

客户端：

     声明服务器名和端口，通过套接字建立TCP连接。连接建立后向服务器发送一个字符串，等待接收服务器的字节，接收到回车符结束后，关闭客户的套接字，客户和服务器之间的TCP连接也会关闭。

 服务器端：

     服务器同样需要创建套接字，并将这个创建的套接字和端口绑定，该套接字将监听来自客户的TCP连接请求。当客户发起连接请求后，服务器会创建一个新的套接字，由客户专用。使用新的套接字，服务器就可以和客户通过TCP连接进行通信了。

         运行服务器程序和客户端程序，可以进行通信：

2.采用UDP进行数据发送的简单程序

客户端：

        基本与TCP相同，区别是不需要建立连接，发送数据时需要指明服务器名和端口。

 服务器：

        与TCP相比，不需要欢迎套接字，也不需要监听客户端的连接请求，直接对接收到的数据进行处理，并通过套接字向客户端发送数据。

3.多线程/线程池对比

(1)多线程/线程池的对比

        当有多个客户端向服务器发起请求时，服务器只能逐个处理客户端的请求，在处理某个客户端的请求时，不会对其他客户的请求作出响应。采用并行服务器的方式，每个连接单独处理，不产生干扰，实现并行服务的方式有两种，一种是为每个客户创建一个线程，另一种是使用线程池。

        为每个客户都创建一个新的线程，每个新线程都要消耗系统资源。当客户较多时，线程数逐渐增加，消耗的资源也越来越多。且系统需要对线程进行管理，并处理线程之间的上下文切换。在客户较多的情况下，使用多线程处理客户的请求可能实际上增加了客户端总服务时间。

        为了解决线程过多的问题，可以对总线程数进行限制，并重复使用线程。在服务器启动时创建一个由固定数量线程池组成的线程池，当收到一个客户端的连接请求，就将处理请求的任务交给线程池中的一个线程处理，处理结束后该线程将返回线程池。如果连接请求到达服务器时没有可用线程，请求将在队列中等待空闲的线程。

        以下用Python语言实现多线程和使用线程池的服务器。尝试服务器程序实现多线程/线程池，需要先了解Python中的多线程及线程池。

(2)Python中的多线程

        Python中的threading模块用于支持多线程的操作。使用该模块可以创建线程，并查看已有线程的状态。线程可分为守护线程和非守护线程。

        守护线程：守护线程和主线程一起运行，主线程销毁，守护线程会和主线程一起销毁。

        非守护线程：主线程销毁，非守护线程继续运行，不受影响。

        创建线程时可以设定线程为守护线程。线程运行后，threading模块提供了一些方法支持多线程。如线程阻塞方法，用于实现同步与互斥的锁，条件变量，信号变量等。

(3)线程池

        Python中concurrent.futures库中的ThreadPoolExecutor类可以实现线程池。

• ThreadPoolExecutor构造实例时，通过传入max_workers参数来设置线程池中最多能同时运行的线程数。
• 通过submit()方法提交线程需要执行的任务到线程池，返回该任务的句柄。
• done()方法可以判断任务是否结束，cancel()方法可以取消提交的任务，在线程池中已经运行的任务不可以取消。result()方法可以获取任务的返回值，这个方法是阻塞的。

(5)采用多线程的服务器程序

        采用为每一个客户创建一个单独的线程服务，通过以上提到过的threading模块实现，具体实现如下：

        使用多线程的客户端发起连接请求，运行程序：

 (6)采用线程池的服务器程序

        使用上述ThreadPoolExecutor创建一个可最多运行5个线程的线程池来对客户进行服务，具体实现如下：

       运行程序，前三个请求是线程池中的三个线程同时处理完成的，三个请求处理完毕后，其中的两个线程又处理后两个请求。

 4.可实现互传文件的简单chat程序

        进行对话和互传文件的处理有所不同，因此先进行约定，客户端如果要发送或上传文件，输入的指令格式应该为[download/upload 文件路径]，客户端确认消息类型为请求上传或下载文件，发送请求[download|文件路径]或[upload|文件名|文件大小]，服务器收到消息后得知需要上传或下载文件，进行相应的回应(下载文件时回应[文件名|文件大小]，上传时回应准备好上传)，当双方都做好准备后，开始进行发送。

        进行上传文件时，首先需要确认客户端给出的文件是否存在。如果文件存在，读取文件名和文件大小，并按照[upload|文件名|文件大小]的格式向服务器发送upload请求，服务器接收到请求后，拼接好文件的接收路径，创建文件，然后向客户端发送准备好接收文件的消息。客户端收到消息后，就可以开始读取文件，每次读取2048字节，并向服务器发送，服务器接收到后就将数据写入文件，直到文件大小的数据全部接收到。

客户端的部分代码如下：

 服务器接收文件的代码如下：

         下载文件的过程与接收文件类似，区别在于客户端需要先把文件名发送给服务器，服务器确认文件是否存在，如果文件存在，再进行类似上述上传文件的过程。

客户端下载文件的代码如下：

 服务器传输文件的代码如下：

         服务器程序采用(3)中编写的线程池服务器，运行程序，将client的文件a.txt上传到服务器，将服务器的b.docx文件下载到client的文件夹中。

客户端：

 服务器：

         传输结束后，可以在客户和服务器的文件夹client和server中找到下载/上传的文件。程序实现了文件互传的功能。

四.实验总结

        通过本实验，学习了采用Socket（套接字）设计简单的网络数据收发程序，并编写了UDP数据发送程序和TCP数据发送程序，熟悉了使用Socket编程的基本方法。了解了服务器的多线程实现和线程池实现方式，并进行简单的实现。通过编写能传输文件的客户-服务器程序，加深了对于客户-服务器文件传输过程的理解。