Python网络编程

Posted 2020-09-17

• 客户端/服务器架构

  所谓服务器就是一系列硬件或软件，为一个或多个客户端(服务的用户)提供所需要的‘服务‘。它存在的唯一目的就是等待客户端的请求，并响应它们(提供服务)，然后等待更多的请求。另一方面，客户端因特定的请求而联系服务器，并发送必要的数据，然后等待服务器的回应，最后完成请求或给出故障信息。服务器无限地运行下去，并不断地处理请求；而客户端会进行一次性请求，然后接收该服务，最后结束他们之间的事务。

  目前最常见的客户端/服务器架构如图所示，其中描绘了多个客户端通过互联网从一台服务器上检索信息。

  套接字(socket)是计算机网络数据结构，它体现了‘通信端点‘的概念。在没有任何类型的通信开始之前，网络应用程序必须创建套接字。可以将它们比作电话插孔，没有它将无法通信。

  socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，对于文件用打开、读写、关闭模式来操作。socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。套接字通常有两种类型：基于文件的和面向网络的。

  第一种类型是基于文件的AF_UNIX，其主要用于同一计算机中的两个进程间通信；第二种是面向网络的AF_INET,主要用于互联网上计算机之间的通信。

  通常网络套接字分为面向连接的套接字与无连接的套接字。面向连接的通信提供序列化的、可靠的和不重复的数据交付，而没有记录边界。实现这种连接类型的主要协议是传输控制协议(TCP)。为了创建TCP套接字，必须使用SOCK_STREAM作为套接字类型。

  与传输控制协议形成对比的是数据报类型的套接字，它是一种无连接的套接字。这意味着，在通信开始之前并不需要建立连接。此时，在数据传输过程并无法保证它的顺序性、可靠性或者重复性。然而，数据报保存了记录边界，这意味着消息是以整体发送的，而并非分成多个片段。实现这种连接类型的主要协议是用户数据报(UDP)。为了创建UDP套接字，必须使用SOCK_DGRAM作为套接字类型。

• Python中的网络编程

s=socket(family,type, proto=0)

参数一：地址簇   socket.AF_INET IPv4（默认）   socket.AF_INET6 IPv6   socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信 参数二：连接类型   socket.SOCK_STREAM　流式socket , for TCP （默认）   socket.SOCK_DGRAM　 数据报式socket , for UDP   socket.SOCK_RAW 原始套接字，普通的套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文，而SOCK_RAW可以 ；其次，SOCK_RAW也可以处理特殊的IPv4报文；利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。   socket.SOCK_RDM一种可靠的UDP形式，即保证交付数据报但不保证顺序。SOCK_RAM用来提供对原始协议的低级访问，在需要执行某些特殊操作时使用，如发送ICMP报文。SOCK_RAM通常仅限于高级用户或管理员运行的程序使用。   socket.SOCK_SEQPACKET 可靠的连续数据包服务 参数三：协议   0　（默认）与特定的地址家族相关的协议,如果是0，则系统就会根据地址格式和套接类别,自动选择一个合适的协议

服务器套接字方法

s.bind(address)	将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族。在AF_INET下，以元组 (host,port)的形式表示地址。
s.listen(backlog)	开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，可以挂起的最大连接数量。
s.accept()	接受连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。接收TCP客户的连接（阻塞式）等待连接的到来

客户端套接字方法

s.connect(address)	连接到address处的套接字。address的格式为元组（hostname,port）,如果连接出错，返回socket.error错误。
s.connect_ex(address)	同上，只不过会有返回值，连接成功时返回0，连接失败时候返回编码，而不是抛出一个异常。

普通的套接字方法

s.recv(bufsize[,flag])	接收套接字的数据。数据以字符串形式返回，bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
s.recv_into()	接收TCP消息到指定的缓存区。
sk.recvfrom(bufsize[.flag])	与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。
s.send(string[,flag])	将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。即：可能未将指定内容全部发送 。
s.sendall(string[,flag])	将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。内部通过递归调用  send，将所有内容发送出去。
s.sendto(string[,flag],address)	将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。
s.close()	关闭套接字
s.getpeername()	返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）
s.getsockname()	返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)

面向阻塞的套接字方法

s.setblocking(bool)	是否阻塞（默认True），如果设置False，那么accept和recv时一旦无数据，则报错。
s.settimeout(timeout)	设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为  None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如 client 连接最多等待5s）
s.gettimeout()	获取阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字方法

s.fileno()	套接字的文件描述符
s.makefile()	创建套接字关联的文件对象

• 创建TCP服务器与客户端

服务器端：

# !/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
‘‘‘
这个脚本创建TCP服务器，它接收来自客户端的消息并打印在终端，返回当前时间戳
‘‘‘
from socket import *
from time import ctime

HOST = ‘‘
PORT = 12345
BUFSIZ = 1024
ADDR = (HOST,PORT)

tcpSerSock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpSerSock.bind(ADDR)
tcpSerSock.listen(5)

while True:
    print(‘waiting for connection...‘)
    tcpCliSock,addr=tcpSerSock.accept()
    print(‘...connected from:‘,addr)

    while True:
        data=tcpCliSock.recv(BUFSIZ)
        print(str(data,‘utf-8‘))
        if not data:
            break
        tcpCliSock.send(bytes(ctime(),‘utf-8‘))
    tcpCliSock.close()
tcpSerSock.close()

客户端：

# !/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-

from socket import *

HOST = ‘127.0.0.1‘
PORT = 12345
BUFSIZ = 1024
ADDR = (HOST,PORT)

tcpCliSock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpCliSock.connect(ADDR)

while True:
    data = input(‘> ‘)
    if not data:
        break
    tcpCliSock.send(bytes(data,‘utf-8‘))
    data = tcpCliSock.recv(BUFSIZ)
    if not  data:
        break
    print(str(data,‘utf-8‘))
tcpCliSock.close()

运行结果：

  服务器端：

waiting for connection...
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62735)
123
1234
3453
45
567

 客户端：

> 123
Sat May  6 21:31:06 2017
> 1234
Sat May  6 21:32:44 2017
> 3453
Sat May  6 21:32:46 2017
> 45
Sat May  6 21:32:47 2017
> 567
Sat May  6 21:32:48 2017
>

• 创建UDP客户端与服务器

服务器端：

socket *
time ctime
HOST = PORT = BUFSIZ = ADDR = (HOST,PORT)

udpSerSock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
udpSerSock.bind(ADDR)

:
    ()
    data,addr = udpSerSock.recvfrom(BUFSIZ)
    ((data,))
    udpSerSock.sendto((ctime(),),addr)
    (,addr)

udpSerSock.close()

客户端：

socket *

HOST = PORT = BUFSIZ = ADDR = (HOST,PORT)

udpCliSock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

:
    data=()
    data:
        udpCliSock.sendto((data,),ADDR)
    data,ADDR=udpCliSock.recvfrom(BUFSIZ)
    data:
        ((data,))

udpCliSock.close()

输出结果：

  服务器端：

waiting for message... 
123
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message... 
12334
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message... 
123
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message... 
14
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message... 
234
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message... 
5
...received form and return to: (‘127.0.0.1‘, 58765)
waiting for message...

  客户端：

>123
Sun May  7 11:59:46 2017
>12334
Sun May  7 12:02:32 2017
>123
1Sun May  7 12:02:33 2017
>4
2Sun May  7 12:02:34 2017
>34
Sun May  7 12:02:34 2017
>5
Sun May  7 12:02:35 2017
>

• SocketServer模块

  SocketServer是标准库中的一个高级模块，它的目的是简化很多样板代码，它们是创建网络客户端和服务器必须的代码。这个模块中有各种各样的类，这些类帮助程序员隐藏具体的实现细节，除此之外以面相对象的方式处理事务有助于组织数据，以及逻辑性地将功能放在正确的地方。在python3中SocketServer改名为socketserver。

  各个类之间的继承关系：

| BaseServer |
      |
      v
| TCPServer |------->| UnixStreamServer |
      |
      v
| UDPServer |------->| UnixDatagramServer |

类	描述
BaseServer	包含核心服务器功能和mix-in类的钩子，仅用于推导，这样不会创建这个类的实例：可以用TCPServer或UDPServer创建类的实例
TCPServer/UDPServer	基于的网络同步TCP/UDP服务器
UnixStreamServer / UnixDatagramServer	基于文件的基础同步TCP/UDP服务器

  上面四个服务类都是同步处理请求的，即一个请求没处理完不能处理下一个请求。当要想支持异步模型，可以利用多继承让server类继承ForkingMixIn或ThreadingMixIn类。

类	描述
ForkingMixIn/ ThreadingMixIn	核心派出或线程功能：只作用mix-in类域一个服务器类配合实现一些异步性；不能直接实例化。
ForkingTCPServer/ ForkingUDPServer	ForkingMixIn和TCPServer/UDPServer的组合，利用多进程实现异步
ThreadingTCPServer/ ThreadingUDPServer	ThreadingMixIn和TCPServer/UDPServer的组合，利用多线程实现异步

  在SocketServer模块中，服务器处理请求主要通过BaseRequestHandler类来实现，在这个类中有多个处理函数可以使用。

  setup()

     在handle()方法之前调用执行请求的初始化动作，默认不执行任何操作。

  handle()

     此函数必须完成对服务器所有的请求工作，有些实例属性对其可获得，

     请求通过self.request函数，

     客户端地址通过self.client_address函数，

     服务器实例通过self.server函数，

     self.request对于流服务self.request是套接字对象，对于数据报文self.request是一系列字符串和套接字。

  finish()

     在handle()函数后调用此方法，执行请求后的清理操作，默认不执行任何操作，如果setup()出现异常，此函数不会被调用。

服务器端实例：

socketserver (TCPServer TCP, StreamRequestHandler SRH)
time ctime

HOST = PORT = ADDR = (HOST,PORT)


MyRequestHandler(SRH):
    setup():
        ()

    handle():
        conn=.request
        (,.client_address)
        ((conn.recv(),))
        conn.send((ctime(),))

    finish():
        ()
        ()

tcpServ = TCP(ADDR,MyRequestHandler)
()
tcpServ.serve_forever()

客户端实例：

socket *

HOST = PORT = BUFSIZ = ADDR = (HOST,PORT)

:
    tcpCliSock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcpCliSock.connect(ADDR)
    data=()
    data:
        tcpCliSock.send((data,))
    data=tcpCliSock.recv(BUFSIZ)
    data:
        ((data,))
    tcpCliSock.close()

运行结果：

  服务器端：

waiting for connection...
处理请求前！！！
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62042)
1223
处理请求后！！！
----------------------
处理请求前！！！
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62051)
123
处理请求后！！！
----------------------
处理请求前！！！
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62052)
5435
处理请求后！！！
----------------------
处理请求前！！！
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62053)
574
处理请求后！！！
----------------------
处理请求前！！！
...connected from: (‘127.0.0.1‘, 62054)
68
处理请求后！！！
----------------------

  客户端：

>1223
Sun May  7 13:01:45 2017
>123
Sun May  7 13:01:46 2017
>5435
Sun May  7 13:01:47 2017
>574
Sun May  7 13:01:48 2017
>68
Sun May  7 13:01:49 2017
>

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