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局域网内的广播通信 —— Python实践教程

1. 什么是局域网广播通信​

局域网（LAN, Local Area Network）是指覆盖范围较小的计算机网络，比如学校、家庭或办公室内部的网络。广播通信是一种网络通信方式，允许一个主机向局域网内所有设备同时发送消息，常用于发现服务、群体通知等场景。

2. UDP 广播的原理简介​

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的网络协议，支持快速、简单的数据传输。UDP 允许使用特殊的广播地址（如 255.255.255.255），将数据包发送到同一局域网内的所有主机。所有监听该端口的设备都能收到消息。

UDP广播示意图
UDP广播示意图
ROS2的话题通信示意图
ROS2的话题通信

3. Python 实现局域网广播通信的基本思路​

  • 使用 Python 的 socket 库创建 UDP 套接字
  • 服务器端设置为广播模式，定时向局域网广播消息
  • 客户端监听指定端口，接收并显示广播消息

4. 代码讲解​

以 broadcast_on_lan.py 为例。

程序架构​

  • 服务器端（广播消息）

    • 创建 UDP 套接字，并设置为广播类型
    • 构造消息内容，定时发送到广播地址和指定端口

  • 客户端（接收消息）

    • 创建 UDP 套接字，绑定到本机所有 IP 的指定端口
    • 持续接收并显示来自服务器的广播消息

程序代码​

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用法说明​

本程序用于在局域网（LAN）内通过UDP广播实现主机与客户端的消息通信。可作为“服务器”广播消息，也可作为“客户端”接收消息。服务器和客户端可在同一局域网内的不同设备上运行。

【运行环境】

需安装 Python 3

运行设备需在同一局域网内

【用法】

服务器端（广播消息）

在一台主机上运行：

该主机会每2秒向局域网广播一条消息。

客户端（接收消息）

在同一局域网内的任意设备上运行：

该客户端会持续接收并显示主机广播的消息。

【参数说明】

server：以服务器模式运行，广播消息

client：以客户端模式运行，接收消息

【中止方法】

在终端按下 Ctrl+C 可停止程序运行

【注意事项】

服务器和客户端需在同一局域网内，且端口号（默认50000）需一致

某些操作系统或防火墙可能会阻止UDP广播，请确保相关端口已开放

如需修改端口或广播内容，可直接编辑源代码相应部分。

关键代码解析​

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # 创建UDP套接字
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)  # 设置为广播
s.sendto(msg.encode('utf-8'), (BROADCAST_IP, PORT))  # 发送广播消息
s.bind(('', PORT))  # 客户端绑定端口，监听所有IP
data, addr = s.recvfrom(1024)  # 接收数据

5. 程序运行方法与演示​

  1. 确保多台电脑/设备连接在同一局域网内，并已安装 Python 3。
  2. 将 broadcast_on_lan.py 文件复制到各台设备。
  3. 在一台设备上作为服务器运行： 
    python broadcast_on_lan.py server
  4. 在其他设备上作为客户端运行： 
    python broadcast_on_lan.py client
  5. 客户端会实时显示服务器广播的消息。

6. 常见问题与注意事项​

  • 防火墙或安全软件可能会阻止 UDP 广播，请确保端口 50000 已开放。
  • 服务器和客户端必须在同一局域网内，且端口号一致。
  • 程序运行时可按 Ctrl+C 中止。

7. 课堂练习​

在Linux下，利用Python及其库工具shutil获取当前磁盘的使用情况(密码：1234)：

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任务

运行上述代码，将其中的已用空间的磁盘信息，嵌入到前面UDP广播程序broadcast_on_lan.py， 使得服务器每2秒广播一次当前磁盘的使用情况，让你的小伙伴知道。

8. 拓展思考​

  • 如何让客户端也能向服务器发送消息，实现双向通信？
  • 如果要实现点对点通信，应该如何修改代码？
  • 你能否用类似方法实现一个局域网内的简易聊天室？

通过本教程，我们了解并实践局域网内的广播通信原理，并用 Python 实现一个简单的广播通信系统。而在实际应用中，这种技术可以用于设备发现、服务通知等多种场景。 希望大家在实践中不断探索和创新，提升自己的编程能力和网络通信知识。

更重要的是，我们了解到ROS2的话题通信与UDP广播的区别和联系。ROS2的话题通信是基于发布/订阅模式的，而UDP广播则是基于无连接的消息传递。 两者各有优缺点，适用于不同的场景。在下一堂课，我们将利用ROS2的发布/订阅机制，来实现本节课的简单局域网通信。 而ROS2的发布/订阅机制与UDP广播的区别在于，ROS2提供了更高层次的抽象和功能，如消息类型定义、QoS策略等，使得通信更加灵活和可靠——从而为机器人系统的分布式通信提供了强大的支持。