python网络编程之socket编程

Posted 2020-09-16

一 客户端/服务器架构

即C/S架构，包括

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构(web服务)

美好的愿望：

最常用的软件服务器是 Web 服务器。一台机器里放一些网页或 Web 应用程序,然后启动 服务。这样的服务器的任务就是接受客户的请求,把网页发给客户(如用户计算机上的浏览器),然 后等待下一个客户请求。这些服务启动后的目标就是“永远运行下去”。虽然它们不可能实现这样的 目标,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就能运行非常长的一段时间。 

生活中的C/S架构：

商店是S端，所有的顾客是C端

饭店是S端，所有的食客是C端

 

服务端的要求：

（1）要求一直提供服务

（2）提供明确的地址，让客户端能够找到

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

 

二 osi七层

引子：

须知一个完整的计算机系统是由硬件、操作系统、应用软件三者组成,具备了这三个条件，一台计算机系统就可以自己跟自己玩了（打个单机游戏，玩个扫雷啥的）

如果你要跟别人一起玩，那你就需要上网了，互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，全世界人通信的标准是英语，如果把计算机比作人，互联网协议就是计算机界的英语。所有的计算机都学会了互联网协议，那所有的计算机都就可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。

 

 互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

 

每层运行常见物理设备

 

为何学习socket一定要先学习互联网协议：

1.首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，来开发一款自己的C/S架构软件

2.其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

3.然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

4.最后：开启socket编程之旅

 

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。

 

三、socket层

Socket是介于应用层和传输层之间。

 

四、socket是什么

　　Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。

 扫盲篇：

1 将socket说成ip+port，ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序，ip地址是配置到网卡上的，而port是应用程序开启的，ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序
2 
3 而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识（Google Chrome会有多个PID）

 

五、套接字发展史及分类

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。 

 （1）、基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

 （2）、基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INET

(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

 

六、套接字工作流程

      生活中的场景，你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。    

生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

 

socket()模块函数用法

import socket
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。

获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了‘from module import *‘语句。使用 ‘from socket import *‘,我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

服务端套接字函数
s.bind()    绑定(主机,端口号)到套接字
s.listen()  开始TCP监听
s.accept()  被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来

客户端套接字函数
s.connect()     主动初始化TCP服务器连接
s.connect_ex()  connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共用途的套接字函数
s.recv()            接收TCP数据
s.send()            发送TCP数据(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)
s.sendall()         发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)
s.recvfrom()        接收UDP数据
s.sendto()          发送UDP数据
s.getpeername()     连接到当前套接字的远端的地址
s.getsockname()     当前套接字的地址
s.getsockopt()      返回指定套接字的参数
s.setsockopt()      设置指定套接字的参数
s.close()           关闭套接字

面向锁的套接字方法
s.setblocking()     设置套接字的阻塞与非阻塞模式
s.settimeout()      设置阻塞套接字操作的超时时间
s.gettimeout()      得到阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字的函数
s.fileno()          套接字的文件描述符
s.makefile()        创建一个与该套接字相关的文件

 

七 基于TCP的套接字

socket模块发送和接收消息

（1）、示例：模拟发送消息和接收消息的过程

基于网络类型的套接字

示例代码如下：（tcp服务端（server））

#服务端
import socket#导入socket模块
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#基于网络类型的套接字和tap
phone.bind((‘127.0.0.9‘,8888))#服务端提供的ip和端口号
phone.listen(5)#指的是服务端的最大缓存数是5个（因为会有多个客户端同时访问服务端）
print("等待中...")
conn,addr=phone.accept()
print("====>")
print("电话线路是：",conn)
print("客户端的手机号是：",addr)
data=conn.recv(1024)#收客户端的消息，1024是最大限度，最多可收1024个字节
print("客户端发来的消息是：",data)
conn.send(data.upper())#将收到的客户端的消息变成大写再返回给客户端

conn.close()#挂电话
phone.close()#关手机

客户端的代码示例如下：（tcp客户端(client)）

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((‘127.0.0.9‘,8888))
phone.send("hello".encode("utf8"))#发送内容hello给服务端，由于服务端只接收字节，所以需要转换成字节发送给服务端
print(‘has send===========>‘)
data=phone.recv(1024)#收到服务端返回的信息
print(‘has recv===========>‘)
print(data)#

phone.close()

分别执行的结果：（服务端的执行结果）

等待中...
====>
电话线路是： <socket.socket fd=224, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.9‘, 8888), raddr=(‘127.0.0.1‘, 60623)>
客户端的手机号是： (‘127.0.0.1‘, 60623)
客户端发来的消息是： b‘hello‘

　　

分别执行的结果：（客户端的执行结果）

has send===========>
has recv===========>
b‘HELLO‘

　　

改进一：

针对于以上示例问题是，服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，故可以加入循环

示例：（服务端的代码如下）

#服务端
import socket#导入socket模块
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#基于网络类型的套接字和tap
phone.bind((‘127.0.0.9‘,8888))#服务端提供的ip和端口号
phone.listen(5)#指的是服务端的最大缓存数是5个（因为会有多个客户端同时访问服务端）
print("等待中...")
conn,addr=phone.accept()
print("====>")
print("电话线路是：",conn)
print("客户端的手机号是：",addr)
data=conn.recv(1024)#收客户端的消息，1024是最大限度，最多可收1024个字节
print("客户端发来的消息是：",data)
conn.send(data.upper())#将收到的客户端的消息变成大写再返回给客户端

conn.close()#挂电话
phone.close()#关手机

示例：（客户端的代码如下）

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((‘127.0.0.9‘,8888))
while True:
    msg = input(‘>>: ‘).strip()
    phone.send(msg.encode("utf8"))#发送内容hello给服务端，由于服务端只接收字节，所以需要转换成字节发送给服务端
    print(‘has send===========>‘)
    data=phone.recv(1024)#收到服务端返回的信息
    print(‘has recv===========>‘)
    print(data)#

phone.close()

服务端的代码执行结果：

等待中...
====>
电话线路是： <socket.socket fd=224, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.9‘, 8888), raddr=(‘127.0.0.1‘, 60685)>
客户端的手机号是： (‘127.0.0.1‘, 60685)
客户端发来的消息是： b‘aaa‘

客户端的代码执行结果：

>>: aaa
has send===========>
has recv===========>
b‘AAA‘
>>: 

 

上述代码会出现的问题：如果msg的输入内容为空的话，服务端则不会收到消息，一直在等待，故而无法给客户端反馈消息，最后导致客户端也无法收到消息

如果msg为空的话：

示例结果（服务端）

示例结果（客户端）

 

改进二：

为了解决上述如果msg的输入内容为空的话，服务端则不会收到消息，一直在等待，故而无法给客户端反馈消息，最后导致客户端也无法收到消息问题，改进如下（在客户端的代码加入判断，判断msg的输入内容是否为空）：

示例：（服务端代码示例）

#服务端
import socket#导入socket模块
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#基于网络类型的套接字和tap
phone.bind((‘127.0.0.9‘,8888))#服务端提供的ip和端口号
phone.listen(5)#指的是服务端的最大缓存数是5个（因为会有多个客户端同时访问服务端）
print("等待中...")
conn,addr=phone.accept()
print("====>")
print("电话线路是：",conn)
print("客户端的手机号是：",addr)
data=conn.recv(1024)#收客户端的消息，1024是最大限度，最多可收1024个字节
print("客户端发来的消息是：",data)
conn.send(data.upper())#将收到的客户端的消息变成大写再返回给客户端

conn.close()#挂电话
phone.close()#关手机

示例：（客户端的代码如下）

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((‘127.0.0.9‘,8888))
while True:
    msg = input(‘>>: ‘).strip()
    if not msg:continue#加入if判断，判断msg是否为空
    phone.send(msg.encode("utf8"))#发送内容hello给服务端，由于服务端只接收字节，所以需要转换成字节发送给服务端
    print(‘has send===========>‘)
    data=phone.recv(1024)#收到服务端返回的信息
    print(‘has recv===========>‘)
    print(data)#

phone.close()

服务端的执行结果为：

等待中...
====>
电话线路是： <socket.socket fd=224, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.9‘, 8888), raddr=(‘127.0.0.1‘, 60756)>
客户端的手机号是： (‘127.0.0.1‘, 60756)

客户端的执行结果为：（解决了msg如果为空的问题）

>>: 
>>: 
>>: 
>>: 
>>: 

　

在上述代码中，如果客户端挂掉的话，服务端也会跟着挂掉，就违背了服务端要求一直提供服务的原则

示例客户端挂掉：（如果客户端挂掉的话，则服务端会出现如下情况）

 

改进三、

改进的方法是加入异常处理，故而解决方法如下

示例：（服务端代码如下）

#服务端
import socket#导入socket模块
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#基于网络类型的套接字和tap
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)#由于ip和端口只能调用一次，这个是解决重用的
phone.bind((‘127.0.0.9‘,8888))#服务端提供的ip和端口号
phone.listen(5)#指的是服务端的最大缓存数是5个（因为会有多个客户端同时访问服务端）
print("等待中...")
while True:#链接循环
    conn,addr=phone.accept()
    print("====>")
    print("电话线路是：",conn)
    print("客户端的手机号是：",addr)

    while True:#通信循环，可以一直接受客户端发来的消息
        try:#异常处理
            data=conn.recv(1024)#收客户端的消息，1024是最大限度，最多可收1024个字节
            if not data: break#如果客户端没有输入内容的话，跳出本层循环，回到上一层继续输入内容
            print("客户端发来的消息是：",data)
            conn.send(data.upper())#将收到的客户端的消息变成大写再返回给客户端
        except Exception:
            break
    conn.close()
phone.close()

示例：（客户端代码如下）

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((‘127.0.0.9‘,8888))
# phone.send("hello".encode("utf8"))

while True: #通信循环
    msg=input(‘>>: ‘).strip()
    if not msg:continue#如果输入的信息为空的话，则继续输入
    phone.send(msg.encode(‘utf-8‘))#发送内容给服务端，由于服务端只接收字节，所以需要转换成字节发送给服务端
    print(‘has send===========>‘)
    data=phone.recv(1024)#收到服务端返回的信息
    print(‘has recv===========>‘)
    print(data)#

phone.close()

服务端的代码执行结果：

等待中...
====>
电话线路是： <socket.socket fd=224, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.9‘, 8888), raddr=(‘127.0.0.1‘, 60803)>
客户端的手机号是： (‘127.0.0.1‘, 60803)
客户端发来的消息是： b‘aaa‘
客户端发来的消息是： b‘bbb‘
客户端发来的消息是： b‘ccc‘

客户端的代码执行结果是：

>>: aaa
has send===========>
has recv===========>
b‘AAA‘
>>: bbb
has send===========>
has recv===========>
b‘BBB‘
>>: ccc
has send===========>
has recv===========>
b‘CCC‘
>>: 

总结：上述问题全部解决了

 

　

（2）、tcp三次握手和四次挥手

主动断开连接 ：FIN_WAIT_1
被动断开连接： FIN_WAIT_2
马上断开连接： TIME_WAIT

 

socket中TCP的三次握手建立连接详解

流程如下：

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

                    图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

 

socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

                 图2、socket中发送的TCP四次握手

图示过程如下：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

 

总结：

四次挥手断开连接原则：

记住一条原则：谁先发起客户端请求，谁先断开连接
但是在大并发情况下，大部分都是服务端先断开连接，不会保留连接。因为每一分钟都有很多人在访问网站。