Socket通信关于Socket通信原理解析及python实现

Posted 2020-12-31 virtualman的个人博客

Socket（套接字）通信{网络通信其实就是Socket间的通信}，首先了解下概念：【来源于百度百科】

"两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个socket。"

可以这么说，Socket就是一个网络编程的接口（API），它定义了一种标准，并对TCP/IP进行封装，实现了网络传输数据的能力。

这篇文章默认您已经了解IP、端口等基本网络概念，如未了解，请移步：https://baike.baidu.com/item/IP/224599

我们想象这么一个场景，如果两个人，想要互相送一份礼物【用某风快递】，那么每个人都需要知道对方的什么信息？

1. 地址【IP】：不然你让快递公司送到哪里？【不然你让互联网提供商把数据送到哪台电脑？】
2. 姓名【端口】：一个地点不一定住一个人啊，快递小哥怎么知道要送给谁？【一台电脑不一定只有一个程序使用网络啊，系统怎么知道把数据传给哪个程序？】

再一点，快递公司有很多种，不一定非得选择某风快递，你也可以用某通快递、某达快递、某国邮政之类的，各有各的特点。在socket通信中也是这样，分为TCP、UDP两种。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去！

关键词我已经标记出来了，配合上面的情景引入，可以很容易的理解。既然各有各的特色，那么根据生物学定理：“结构决定功能”，我们也很容易知道这俩东西肯定有不一样的地方。

TCP，由于是基于双方连接的情况下传输的，因此它的连接以及数据传输是非常稳定可靠的，可以使一台计算机发出的字节流完好无损的发生给另一台计算机。对要求可靠性非常高的应用程序会选择此种通信方式。

UDP，肯定是不太稳定的了，它适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。其实我们常常使用的【ping】命令的工作原理就是向对方主机发送ICMP数据包【自行百度】，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。对了，QQ的聊天功能大部分是用UDP来实现的，因为这样可以使得传输速率极快，但同时也会出现发生失败的情况，更极端的就是遇到掉包的情况。

另外，关于Socket通信还需理解的两对概念：长连接与短连接、异步与同步【这个概念理解起来较难，但你可以先不理解，不会妨碍你实现小项目，在你实现完几个小项目后，再反过来看这块，你会有恍然大悟的感觉】

1、长连接 
       顾名思义，长连接就是连接时间更长的连接方式：连接——>传输数据——>等待——>传输数据…………——>结束
       Socket无论在是否使用都处于连接状态，虽然占用资源更小，但安全性较差。

2、短连接
        同样也是顾名思义，短连接就是连接时间更短的连接方式，但会多次连接：连接——>传输数据——>结束　　连接——>传输数据…………——>结束
       SOCKET连接后发送后接收完数据后马上断开连接。

 

1、异步 
       报文发送和接收是分开的，相互独立的，互不影响。这种方式又分两种情况： 
       (1)异步双工：接收和发送在同一个程序中，由两个不同的子进程分别负责发送和接收 
       (2)异步单工：接收和发送是用两个不同的程序来完成。 

2、同步 
       报文发送和接收是同步进行，既报文发送后等待接收返回报文。 同步方式一般需要考虑超时问题，即报文发出去后不能无限等待，需要设定超时时间，超过该时间发送方不再等待读返回报文，直接通知超时返回。
       在长连接中一般是没有条件能够判断读写什么时候结束，所以必须要加长度报文头。读函数先是读取报文头的长度，再根据这个长度去读相应长度的报文。  

原谅我，同步异步实在没找到合适的图，我也实在想不出怎么来举栗子能让读者更好的理解。我个人经历是：做了个评测机【评测机和网站服务器间用socket传输数据】后才理解的。

下面我们就得了解这些快递公司到底如何实现交互的？

先看这个图，其实这个图就可以概括一切了，但是为了让大部分更好的理解，我再解释下的。

首先，客户端和服务端会分别新建一个socket，服务端的socket需要通过bind()来绑定上端口，启动listen()进行实时监听，并等待客户端的接入，即accept()。而客户端则需要通过服务器IP和端口两个参数来建立connect()连接，此时，服务器会得到有新客户端连接的信息，启动read()等待客户端数据的传人，客户端如果成功接收到服务端的连接成功后，继续执行write()来向服务端发生数据，同理，服务端也使用这样的模式回馈客户端的数据，知道客户端关闭，服务端会收到客户端退出连接的消息，服务器重新进入等待状态，等待新客户端的进入。

下面是用python写的示例，其他语言也都遵循上面的标准，C++采用的扩展库来实现的，在<WINSOCKET2>这个库中实现。

 1 import socket
 2 #服务端
 3 new_socket = socket.socket()         # 创建 socket 对象
 4 ip = "127.0.0.1"          # 获取本地主机名
 5 port = 52052                # 设置端口
 6 new_socket.bind((ip, port))        # 绑定端口
 7 new_socket.listen(5)                 # 等待客户端连接并设置最大连接数
 8 while True:
 9     new_cil, addr = new_socket.accept()     # 建立客户端连接。
10     print(\'新进来的客户端的地址：\', addr)
11     print(new_cil.recv().decode())
12     new_cil.send(\'答案为6\')
13     new_cil.close()                # 关闭连接

import socket
#客户端
ip = "127.0.0.1"
port = 52052
new_socket = socket.socket()　　#创建socket对象
new_socket.connect((ip,port))　　#连接
new_socket.send("请求给我计算下1+5=多少？".encode(encoding=\'utf-8\')) #发生数据
print("客户端发给服务端：请求给我计算下1+5=多少？") 
back_str = new_socket.recv().decode() #结束数据
print("服务端发给客户端："+back_str)
new_socket.close() #关闭客户端
print("客户端结束运行")

 

人生苦短，我用python！隔壁C语言实现这个至少200行代码！