从零开始学Python第八周：网络编程基础（socket)

Posted 2020-08-23

Socket网络编程

一，Socket编程

（1）Socket方法介绍

• Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络链接“，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。
• 套接字是一个双向的通信信道的端点。套接字可能在沟通过程，进程之间在同一台机器上，或在不同的计算机之间的进程
• 要创建一个套接字，必须使用Socket模块的socket.socket()方法
• 在socket模块中的一般语法：

s = socket.socket(socket_family,socket_type,protocol=0)

（3）TCP介绍

• 大多数连接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器
• 例如在浏览器中访问新浪时，我们自己的计算机就是客户端，浏览器会主动向新浪的服务器发起连接。如果一切顺利，新浪的服务器接受了我们的连接，一个TCP连接就建立起来了，后面的通信就是发送网页内容了

（4）TCP编程演示-客户端

• 要创建一个基于TCP连接的Socket，代码演示：

1 import socket
2 
3 s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
4 s.connect((‘www.sina.com.cn‘,80))

 

• 建立TCP连接后，就可以向服务器发送请求，要求返回首页的内容，发送的文本格式必须符合HTTP标准，然后接收服务器返回的数据，最后关闭连接

（5）TCP编程演示-服务器

• 和客户端编程相比，服务器编程就要复杂一些，服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立Socket连接，随后的通信就靠这个Socket连接了
• 编写一个简单的服务器程序，它接收客户端连接，把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去，代码演示：

 1 import socket
 2 
 3 Host = ‘locakhost‘      #监听的IP地址
 4 port = 8888             #监听的端口
 5 s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)   #建立套接字
 6 s.bind(Host,port)       #绑定IP地址和端口
 7 s.listen(5)             #开始监听
 8 conn,addr = s.accept()  #接受一个新连接
 9 data = conn.recv(1024)  #接收客户端字符串
10 conn.sendall(data+‘Hello‘) #发送字符串给客户端

 

• 需要注意的是：同一个端口，被一个Socket绑定了以后，就不能被别的Socket绑定了

（6）UDP介绍

• TCP是建立可靠连接，并且通信双方都可以以流的形式发送数据。相对TCP，UDP则是面向无连接的协议
• 使用UDP协议时，不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口号，就可以直接发数据包。但是，能不能到达并不清楚。
• 虽然用UDP传输数据不可靠，但它的优点是和TCP比，速度快，对于不要求可靠到达的数据，就可以使用UDP协议

（7）UDP编程演示

• 通过UDP协议传输数据。和TCP类似，使用UDP的通信双方也分为客户端和服务器。服务器首先需要绑定端口，代码演示：

1 s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
2 s.bind((‘127.0.0.1‘,9999))   #端口绑定

 

• 客户端使用UDP时，首先仍然创建基于UDP的Socket，但是不需要调用connect(),直接通过sendto（）给服务器发数据，代码演示：

1 s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
2 for data in [‘Michael‘,‘Tracy‘,‘Sarah‘]:
3     s.sendto(data)

 

• 需要注意的是：服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突，UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定

二，TCP编程举例

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络链接”，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。

• 客户端

举个例子，当我们在浏览器中访问新浪时，我们自己的计算机就是客户端，浏览器会主动向新浪的服务器发起链接。如果一切顺利，新浪的服务器接收了我们的连接，一个TCP连接就建立起来了，后面的通信就是发送网页内容。

所以，我们要创建一个基于TCP连接的Socket，可以这样做：

1 # 导入socket库
2 import socket
3 # 创建一个socket：
4 s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
5 # 建立连接
6 s.connect((‘www.sina.com.cn‘,80))

创建Socket时，AF_INET指定使用IPv4协议，如果要用更先进的IPv6，就指定为AF_INET6。SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议，这样，一个Socket对象就创建成功，但是还没有建立连接。

客户端要主动发起TCP连接，必须知道服务器的IP地址和端口号。新浪网站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自动转换到IP地址，而Web服务的标准端口80.

因此，我们连接新浪服务器的代码如下：

s = connect((‘www.sina.com.cn‘,80))

注意参数是一个tuple,包含地址和端口号。

建立TCP连接后，我们就可以向新浪服务器发送请求，要求返回首页的内容：

# 发送数据：
s.send(‘GET / HTTP/1.1\r\nHost:www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n‘)

 

TCP连接创建的是双向通道，双方都可以同时给对方发数据。但是谁先发谁后发，怎么协调，要根据具体的协议来决定。例如，HTTP协议规定客户端必须先发请求给服务器，服务器收到后才发数据给客户端。

发送的文本格式必须符合HTTP标准，如果格式没问题，接下来就可以接收新浪服务器返回的数据了：

 1 # 接收数据：
 2 buffer = []
 3 while True:
 4     # 每次最多接收1K字节：
 5     d = s.recv(1024)
 6     if d:
 7         buffer.append(d)
 8     else:
 9         break
10     data = ‘‘.join(buffer)

 

接收数据时，调用recv(max)方法，一次最多接收指定的字节数，因此，在一个while循环中反复接收，直到recv（）返回空数据，表示接收完毕，退出循环。

当我们接收完数据后，调用close（）方法关闭Socket，这样，一次完整的网络通信就结束了：

# 关闭连接
s.close()

 

接收到的数据包括HTTP头和网页本身，我们只需要把HTTP头和网页分离一下，把HTTP头打印出来，网页内容保存到文件：

header,html = data.split(‘\r\n\r\n‘,1)
print header
# 把接收的数据写入文件：
with open(‘sina.html‘,‘wb‘) as f:
    f.write(html)

 

 

现在，只需要在浏览器中打开这个sina.html文件，就可以看到新浪的首页了。

• 服务器

和客户端编程相比，服务器编程就要复杂一些。

服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立Socket连接，随后的通信就靠这个Socket连接了。

所以，服务器会打开固定端口（比如80）监听，每来一个客户端连接，就创建该Socket连接。由于服务器会打开固定端口（比如80）监听，每来一个客户端连接，就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接，所以，服务器要能够区分一个Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项：服务器地址，服务器端口，客户端地址，客户端端口来唯一确定一个Socket。

但是服务器还需要同时响应多个客户端请求，所以，每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理，否则，服务器一次就只能服务一个客户端了。

我们来编写一个简单的服务器程序，它接收客户端连接，把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去。

首先，创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket：

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

 

然后，我们要绑定监听的地址和端口。服务器可能有多块网卡，可以绑定到某一块网卡的IP地址上，也可以0.0.0.0绑定到所有的网络地址，还可以用127.0.0.1绑定到本机地址。127.0.0.1是一个特殊的IP地址，表示本机地址，如果绑定到这个地址，客户端必须同时在本机运行才能连接，也就是说，外部的计算机无法连接进来。

端口号需要预先指定。因为我们写的这个服务不是标准服务，所以用9999这个端口号。请注意，小于1024的端口号必须要有管理员权限才能绑定：

# 监听端口
s.bind((‘127.0.0.1‘,9999))

 

　　紧接着，调用listen（）方法开始监听端口，传入的参数指定等待连接的最大数量：

s.listen(5)
print ‘Waiting for connection...‘

 

　　接下来，服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接，accept（）会等待并返回一个客户端连接：

while TAG:
    # 接受一个新连接
    conn,addr = s.accept()
    # 创建一个新线程处理TCP连接
     t = threading.Thread(target=tcplink,args=(conn,addr))
     t.start()

 

　　每个连接都必须创建新线程（或进程）来处理，否则，单线程在处理连接的过程中，无法接受其他客户端的连接：

def tcplink(conn,addr):
    print (‘Accept new connection form {0}‘.format(addr))
    conn.send(‘Welcome!‘)
    while True:
        data = conn.recv(1024)
        time.sleep(1)
        if data == ‘exit‘ or not data:
            break
        socket.send(‘Hello,{0}!‘.format(data))
    conn.close()
    print (‘Connection from {0} closed.‘.format(addr))

 

　　连接建立后，服务器首先发一条欢迎消息，然后等待客户端数据，并加上Hello再发送给客户端。如果客户端发送了exit字符串，就直接关闭连接

　　要测试这个服务器程序，我们还需要编写一个客户端程序：

　　

s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接：
s.connect((‘127.0.0.1‘,9999))
# 接收欢迎消息：
print s.recv(1024)
for data in [‘Michael‘,‘Tracy‘,‘Sarah‘]:
    # 发送数据：
    s.send(data)
    print s.recv(1024)
s.send(‘exit‘)
s.close()

 

　　然后我们打开两个命令行窗口，一个运行服务器程序，另一个运行客户端程序，就可以看到效果。

　　需要注意的是，客户端程序运行完毕就退出了，而服务器程序会永远运行下去，必须按Ctrl+C退出程序。

• 小结

　　用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单，对于客户端，要主动连接服务器的IP和指定端口，对于服务器，要首先监听端口，然后，对每一个新的连接，创建一个线程或进程来处理。通常，服务器程序会无限运行下去。

同一个端口，被一个Socket绑定了以后，就不能被别的Socket绑定了。