大一網際網路應用｜Python UDP 分組網路實作：1 位組長收集 5 位組員的 IP、MAC、學號與姓名

在「網際網路應用」課程中，我們會學到 IP Address、MAC Address、Port、Socket、TCP、UDP、Client 與 Server 等重要觀念。如果只記住名詞定義，很難真正理解電腦之間到底如何交換資料。

因此這次我們直接進行一個學生分組網路實驗。每組由一位學生擔任組長（Group Leader），組長的電腦同時擔任 UDP Server；另外 5 位學生擔任組員（Node）。

每位組員執行 Python 程式後，只要輸入自己的學號與姓名，程式會取得該電腦的 IP 與 MAC Address，再透過 UDP 傳送到組長電腦。

本次實驗的核心問題：
如何讓一組學生自己建立一個小型區域網路，由「組長 Server」收集 5 位「組員 Node」的網路與身分資料？

一、學習目標

理解 Client / Server 網路架構。
了解 IP Address、MAC Address 與 Port 的基本角色。
了解 TCP 與 UDP 的基本差異。
使用 Python Socket 建立 UDP 通訊。
使用 JSON 傳送結構化資料。
觀察 UDP 封包的實際來源 IP。
讓學生自己完成一個小型區域網路。
建立「組長 Server + 5 個組員 Node」的分組合作模式。

二、分組方式

每組共有 6 位學生：

角色	人數	程式	主要任務
組長	1	udp_leader.py	UDP Server
組員	5	udp_node.py	UDP Node

三、網路架構

組員1 Node ─┐
組員2 Node ─┤
組員3 Node ─┤
組員4 Node ─┤── UDP ──→ 組長 Server
組員5 Node ─┘             Port 5005
                              │
                              ↓
                     建立本組節點資料表

例如組長電腦的 IP 是：

192.168.1.100

其他 5 位組員可能是：

組員1：192.168.1.101
組員2：192.168.1.102
組員3：192.168.1.103
組員4：192.168.1.104
組員5：192.168.1.105

實際 IP 由教室的 DHCP 或網路設定決定，不一定與範例相同。

四、誰是 Server？誰是 Client？

這個實驗中，老師不再擔任 Server。

組長：擔任 UDP Server，等待 5 位組員傳送資料。

組員：擔任 UDP Client / Node，將自己的資料傳送給組長。

因此一個小組本身就是一個簡單的 Client / Server 網路：

       組員 Node
           │
       組員 Node
           │
       組員 Node
           │
       組員 Node
           │
       組員 Node
           │
           ↓
       組長 Server

這也說明一個重要觀念： Server 不一定是一台大型主機。 只要一支程式正在等待並提供某種網路服務，一般筆記型電腦也可以暫時扮演 Server。

五、TCP 與 UDP

TCP 與 UDP 都是常見的傳輸層協定。本次實驗選擇 UDP。

比較	TCP	UDP
建立連線	需要	不需要
可靠傳輸機制	有	本身不保證
順序控制	有	本身不保證
協定負擔	較多	較少

可以先把 TCP 想成「打電話」， UDP 則像「直接寄出一張明信片」。

但我們可以在應用程式中自行加入確認機制。所以本實驗設計成：

組員
  │
  │ UDP：我的資料
  ↓
組長
  │
  │ UDP：已收到
  ↓
組員

六、每位組員要傳什麼？

每位組員傳送四項資料：

學號 student_id
姓名 name
IP Address
MAC Address

例如：

{
    "student_id": "411001001",
    "name": "王小明",
    "ip": "192.168.1.101",
    "mac": "34:12:98:AA:01:10"
}

這就是 JSON 格式。

整個資料處理流程為：

Python Dictionary
        ↓
       JSON
        ↓
      UTF-8
        ↓
       Bytes
        ↓
       UDP

七、組長端完整程式

組長將程式儲存為：

udp_leader.py

import socket
import json

SERVER_IP = "0.0.0.0"
SERVER_PORT = 5005

sock = socket.socket(
    socket.AF_INET,
    socket.SOCK_DGRAM
)

sock.bind(
    (SERVER_IP, SERVER_PORT)
)

students = {}

print("=" * 60)
print("UDP 小組節點資料收集系統")
print("本電腦角色：組長 Server")
print(f"等待 UDP Port {SERVER_PORT}...")
print("=" * 60)


while len(students) < 5:

    data, address = sock.recvfrom(4096)

    try:

        student = json.loads(
            data.decode("utf-8")
        )

        student_id = student["student_id"]
        name = student["name"]
        ip = student["ip"]
        mac = student["mac"]

        students[student_id] = {
            "name": name,
            "ip": ip,
            "mac": mac,
            "source_ip": address[0]
        }

        print()
        print(f"目前收到 {len(students)} / 5 位組員")
        print("-" * 50)

        print(f"學號：{student_id}")
        print(f"姓名：{name}")
        print(f"組員回報 IP：{ip}")
        print(f"實際來源 IP：{address[0]}")
        print(f"MAC：{mac}")
        print(f"來源 Port：{address[1]}")

        print("-" * 50)

        message = (
            f"組長已收到 "
            f"{student_id} {name} 的資料"
        )

        sock.sendto(
            message.encode("utf-8"),
            address
        )

    except Exception as e:

        print("資料格式錯誤：", e)


print()
print("=" * 90)
print("本組 5 位組員資料收集完成")
print("=" * 90)

print(
    f"{'學號':<15}"
    f"{'姓名':<12}"
    f"{'回報IP':<18}"
    f"{'來源IP':<18}"
    f"{'MAC'}"
)

print("-" * 90)

for student_id, info in students.items():

    print(
        f"{student_id:<15}"
        f"{info['name']:<12}"
        f"{info['ip']:<18}"
        f"{info['source_ip']:<18}"
        f"{info['mac']}"
    )

sock.close()

八、5 位組員使用的完整程式

5 位組員全部使用同一支程式：

udp_node.py

import socket
import uuid
import json

# =========================================
# 修改成「組長電腦」的 IP
# =========================================

LEADER_IP = "192.168.1.100"
SERVER_PORT = 5005


# =========================================
# 取得本機 IP
# =========================================

def get_ip():

    s = socket.socket(
        socket.AF_INET,
        socket.SOCK_DGRAM
    )

    try:

        s.connect(("8.8.8.8", 80))
        ip = s.getsockname()[0]

    except:

        ip = "127.0.0.1"

    finally:

        s.close()

    return ip


# =========================================
# 取得本機 MAC Address
# =========================================

def get_mac():

    mac = uuid.getnode()

    return ":".join(
        f"{(mac >> i) & 0xff:02X}"
        for i in range(40, -1, -8)
    )


# =========================================
# 主程式
# =========================================

print("=" * 50)
print("UDP 小組節點資料傳送程式")
print("本電腦角色：組員 Node")
print("=" * 50)

student_id = input("請輸入學號：")
name = input("請輸入姓名：")

ip = get_ip()
mac = get_mac()

student = {
    "student_id": student_id,
    "name": name,
    "ip": ip,
    "mac": mac
}

print()
print("準備傳送資料")
print("-" * 40)

print("學號：", student_id)
print("姓名：", name)
print("IP：", ip)
print("MAC：", mac)

print("-" * 40)
print("組長 IP：", LEADER_IP)


# 建立 UDP Socket

sock = socket.socket(
    socket.AF_INET,
    socket.SOCK_DGRAM
)


# Dictionary → JSON → Bytes

data = json.dumps(
    student,
    ensure_ascii=False
).encode("utf-8")


# 傳送給組長

sock.sendto(
    data,
    (LEADER_IP, SERVER_PORT)
)

print()
print("資料已透過 UDP 傳送給組長！")


# 等待組長回覆

sock.settimeout(5)

try:

    reply, address = sock.recvfrom(4096)

    print(
        "組長回覆：",
        reply.decode("utf-8")
    )

except socket.timeout:

    print("5 秒內沒有收到組長回覆")

sock.close()

九、實驗操作流程

本實驗最重要的是執行順序。

① 六位學生完成分組
↓
② 選出一位組長
↓
③ 組長查詢自己的 IP
↓
④ 組長將 IP 告訴 5 位組員
↓
⑤ 組長先執行 udp_leader.py
↓
⑥ 5 位組員設定 LEADER_IP
↓
⑦ 組員執行 udp_node.py
↓
⑧ 輸入學號與姓名
↓
⑨ UDP 傳送資料
↓
⑩ 組長完成本組節點資料表

十、組長如何查自己的 IP？

Windows 可以開啟命令提示字元：

ipconfig

找到目前使用中的網路介面，例如：

IPv4 Address . . . . . . . . . :
192.168.1.100

組長就告訴其他 5 位組員：

「我們這組的 Server IP 是 192.168.1.100。」

5 位組員修改：

LEADER_IP = "192.168.1.100"

十一、組長先啟動 Server

組長執行：

python udp_leader.py

畫面：

============================================================
UDP 小組節點資料收集系統
本電腦角色：組長 Server
等待 UDP Port 5005...
============================================================

這代表組長電腦正在等待其他組員送資料到 UDP Port 5005。

十二、組員開始傳送

組員執行：

python udp_node.py

例如：

請輸入學號：411001001
請輸入姓名：王小明

準備傳送資料
----------------------------------------
學號：411001001
姓名：王小明
IP：192.168.1.101
MAC：34:12:98:AA:01:10
----------------------------------------
組長 IP：192.168.1.100

資料已透過 UDP 傳送給組長！

組長回覆：
組長已收到 411001001 王小明 的資料

十三、組長會看到什麼？

第一位組員傳送後：

目前收到 1 / 5 位組員
--------------------------------------------------

學號：411001001
姓名：王小明

組員回報 IP：
192.168.1.101

實際來源 IP：
192.168.1.101

MAC：
34:12:98:AA:01:10

來源 Port：
52341

這裡要特別觀察：

組員自己回報的 IP
與
組長 Server 從 UDP 封包看到的來源 IP

兩者是不是相同？

十四、recvfrom() 告訴組長什麼？

組長程式中最重要的一行之一：

data, address = sock.recvfrom(4096)

它會得到：

data
│
└── 組員傳送的 JSON 資料

address
│
├── 來源 IP
└── 來源 Port

例如：

('192.168.1.101', 52341)

因此：

address[0]

就是組長實際看到的來源 IP。

十五、MAC 為什麼不是組長直接查到的？

本實驗中的 MAC 是：

組員電腦
   ↓
uuid.getnode()
   ↓
取得本機 MAC
   ↓
放入 Python Dictionary
   ↓
轉成 JSON
   ↓
UDP
   ↓
組長 Server

因此：

MAC 是組員主動回報的應用層資料。
它不是組長使用 recvfrom() 直接從遠端 UDP 封包取得的 MAC Address。

十六、5 位組員完成後

當組長收到 5 個不同學號後：

==========================================================================================
本組 5 位組員資料收集完成
==========================================================================================

學號           姓名        回報IP             來源IP             MAC
------------------------------------------------------------------------------------------
411001001      王小明      192.168.1.101      192.168.1.101      34:12:98:AA:01:10
411001002      李小華      192.168.1.102      192.168.1.102      50:EB:F6:22:18:21
411001003      陳大文      192.168.1.103      192.168.1.103      10:62:E5:31:21:33
411001004      林小美      192.168.1.104      192.168.1.104      A4:BB:6D:11:23:44
411001005      張志明      192.168.1.105      192.168.1.105      D8:43:AE:12:35:55

到這裡，一個由學生自行建立的 「1 Server + 5 Nodes」小型網路 就完成了。

十七、從輸入姓名到組長收到資料

把整個網路資料流串起來：

組員輸入學號、姓名
↓
Python 取得 IP、MAC
↓
建立 Dictionary
↓
轉成 JSON
↓
UTF-8 編碼
↓
Socket
↓
UDP
↓
IP Network
↓
組長 IP
↓
UDP Port 5005
↓
recvfrom()
↓
JSON Decode
↓
加入本組節點資料表
↓
組長回覆「已收到」

十八、實驗失敗時如何檢查？

組長與組員是否位於可以互通的網路環境。
組長 IP 是否查詢正確。
5 位組員的 LEADER_IP 是否設定正確。
組長是否先啟動 udp_leader.py。
UDP Port 5005 是否受到防火牆限制。
Python 是否取得 Windows 防火牆的網路存取權限。
校園 Wi-Fi 是否啟用 Client Isolation / AP Isolation。

如果校園 Wi-Fi 基於資訊安全限制學生裝置互相連線，可依學校網路政策使用教學實驗用 AP 建立獨立區域網路。

十九、課堂思考題

為什麼組長要先啟動程式？
組長在這個實驗中扮演 Server 還是 Client？
5 位組員為什麼都必須知道組長 IP？
Port 5005 的作用是什麼？
AF_INET 表示什麼？
SOCK_DGRAM 與 UDP 有什麼關係？
IP Address 和 MAC Address 的角色有什麼不同？
為什麼組員要把資料轉成 JSON？
recvfrom() 可以取得哪些資訊？
為什麼組長可以知道封包的來源 IP，卻不能用同樣方式取得跨網段的遠端 MAC？
UDP 封包如果遺失，這支程式會自動重傳嗎？
如果組長換人，程式的網路架構需要修改哪些地方？

二十、進階實驗：組長也加入節點

目前架構是：

1 位組長 Server
+
5 位組員 Node
=
6 位學生

下一階段可以進一步讓組長不只是 Server，同時也是一個 Node：

              組長
        Server + Node
             ↑ ↓
      ┌──────┼──────┐
      ↓      ↓      ↓
   組員1   組員2   組員3
      ↑      ↑      ↑
      └── 組員4、組員5 ──┘

再進一步加入：

UDP Broadcast：自動尋找組長。
UDP Unicast：指定某位組員傳送訊息。
節點上線通知。
節點離線通知。
簡易群組聊天室。

二十一、結語：每一組就是一個小型網路實驗室

這次實驗最大的改變，是老師不再擔任 Server。

每組由學生自己選出一位組長，組長的筆記型電腦就是 Server；其他同學的電腦就是 Node。

6 位學生
↓
選出 1 位組長
↓
組長建立 UDP Server
↓
5 位組員建立 UDP Node
↓
Socket + IP + Port
↓
JSON + UDP
↓
完成本組節點資料表

透過這個實驗，同學不只是背誦 IP、MAC、Port、Socket、UDP、Client 與 Server，而是親手讓這些技術真正運作一次。

更重要的是，每一組學生都自己建立了一個 「1 Server + 5 Nodes」的小型區域網路。這可以作為後續學習 UDP Broadcast、Peer-to-Peer、IoT、即時通訊與網路服務 的重要基礎。

智慧生活科技專業社群

2026年9月16日星期三

Python UDP 分組網路實作：1 位組長收集 5 位組員的 IP、MAC、學號與姓名

大一網際網路應用｜Python UDP 分組網路實作：1 位組長收集 5 位組員的 IP、MAC、學號與姓名

一、學習目標

二、分組方式

三、網路架構

四、誰是 Server？誰是 Client？

五、TCP 與 UDP

六、每位組員要傳什麼？

七、組長端完整程式

八、5 位組員使用的完整程式

九、實驗操作流程

十、組長如何查自己的 IP？

十一、組長先啟動 Server

十二、組員開始傳送

十三、組長會看到什麼？

十四、recvfrom() 告訴組長什麼？

十五、MAC 為什麼不是組長直接查到的？

十六、5 位組員完成後

十七、從輸入姓名到組長收到資料

十八、實驗失敗時如何檢查？

十九、課堂思考題

二十、進階實驗：組長也加入節點

二十一、結語：每一組就是一個小型網路實驗室

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2026年9月16日 星期三

Python UDP 分組網路實作：1 位組長收集 5 位組員的 IP、MAC、學號與姓名

大一網際網路應用｜Python UDP 分組網路實作：1 位組長收集 5 位組員的 IP、MAC、學號與姓名

一、學習目標

二、分組方式

三、網路架構

四、誰是 Server？誰是 Client？

五、TCP 與 UDP

六、每位組員要傳什麼？

七、組長端完整程式

八、5 位組員使用的完整程式

九、實驗操作流程

十、組長如何查自己的 IP？

十一、組長先啟動 Server

十二、組員開始傳送

十三、組長會看到什麼？

十四、recvfrom() 告訴組長什麼？

十五、MAC 為什麼不是組長直接查到的？

十六、5 位組員完成後

十七、從輸入姓名到組長收到資料

十八、實驗失敗時如何檢查？

十九、課堂思考題

二十、進階實驗：組長也加入節點

二十一、結語：每一組就是一個小型網路實驗室

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