Python 网络编程

Posted 2022-12-27 gaoqiking

　　计算机网络就是把各个计算机连接起来，让网络中的的计算机可以相互通信，而网络编程就是在程序中实现计算机相互通信。

　　举个例子，当你使用电脑访问微博时，你的电脑就和微博的某台服务器通过互联网连接起来了，服务器把网页上的内容作为数据通过互联网传输到你的电脑上。

　　更具体一点，由于你电脑上同时也存在着和其他服务器的连接，如qq服务器，所以，更确切的说，网络通信，其实时两台计算机上的进程的通信

　　网络编程对所有的编程语言都是一样的，就是在Python程序本身这个进程上，连接别的服务器进程的通信端口进行通信

　　接下来作者介绍了Python网络编程的概念和最主要的两种网络类型的编程

 

TCP/IP简介

　　互联网和计算机网络

　　计算机网络要比互联网出现早的多，虽然他们都是把多个计算机连在一块，但是早期的计算机网络的通信协议，每个厂商都有一个，互不兼容，而想要把计算机连在一起，就必须规定他们之间的通信协议，并且只有通信协议相同的才能进行通信，才能真正的连在一起。而互联网Internet由inter和net两个单词组成，本质上就是连接网络的网络。所以要想让所有的计算机连在一起，就必须指定一个统一的、通用的通信协议，这个协议就是互联网协议簇。

　　互联网协议包含上百个不同的协议，而其中最重要的就是TCP/IP协议，所以互联网协议又被称为TCP/IP协议

　　IP

　　好比现实生活中写信需要知道收信人的地址外，计算机之间通信也需要知道对方的地址，而IP就是计算机的地址。

　　IP地址形如127.0.0.1但它其实上是一个32位的整数（IPV4），为了方便阅读，就把他分割为4个8位一组的数组表示

　　还有一种IP地址就是IPV6.IPv6地址实际上是一个128位整数，它是目前使用的IPv4的升级版，以字符串表示类似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334。

　　在互联网上每台计算机唯一的标识就是IP地址，如果一台计算机接入了两个 或者多个的计算机网络，比如路由器，那么他就有两个或者多个的IP地址。所以IP地址对应的就是计算机的网络接口，通常是网卡

 

　　端口

　　网络通信本质上是两台计算机上的两个进程之间的通信，一台计算机上存在着多个进程，如果仅知道对方的IP地址，当对方收到数据后，到底是把它给qq呢，还是给浏览器呢，这就需要端口来区别，每个网络程序都向操作系统申请一个唯一的端口号，这样，两个进程在两台计算机之间建立连接就需要知道IP地址和响应的端口号

　　一个进程可以与多个计算机建立连接，因此一个进程可以有多个端口号

 

　　IP协议

　　IP协议负责把数据通过网络从一台计算机发送到另一台计算机。数据被切分成一块块，加上其他IP协议需要用到的直接，被打包成IP包发送出去。

　　IP包的特点是按块发送，途径多个路由，不保证到达、不保证顺序到达

　　由于网络链路的复杂，两台计算机之间可能存在着多条路径，因此路由器就决定如何把一个IP包转发出去。

　　

　　TCP协议

　　TCP协议建立在IP协议上，负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议通过握手建立连接，然后对每个IP包编号，确保对方按顺序收到，如果没有收到，就重发。它保证数据传输的可靠性

　　许多常用的更高级的协议都是即与TCP的，比如浏览器的HTTP协议，发送邮件的SMTP协议

　　一个TCP报文除了包含要传输的数据外，还包含源IP地址和目标IP地址，源端口和目标端口。

 

TCP编程

　　Socket是一个网络编程的抽象概念，表示”打开了一个网络连接”，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口，然后指定相应的协议类型即可

　　大多数连接使用的都是可靠的TCP连接，在TCP连接中，主动发起请求的称为客户端，被动响应的称为服务端，当客户端向服务端发起连接，如果一切顺利，服务端接受了请求，一个TCP连接就建立起来了

　　客户端

　　在客户端建立连接需要五步

　　第一步：创建一个基于TCP协议的Socket

# 导入socket库:
import socket

# 创建一个socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)#AF_INET指定使用IPv4协议，AF_INET6指定IPV6，SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议

　　提供网页服务的服务器必须把端口号固定在80端口，因为80端口是web服务的标准端口，其他服务都有对应的标准端口号，例如SMTP服务是25端口，FTP服务是21端口，等等。端口号小于1024的是Internet标准服务的端口，端口号大于1024的，可以任意使用。

　　第二步：连接服务器

s.connect((‘www.sina.com.cn‘, 80))#注意中间的括号

　　第三步：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(b‘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送数据，但是谁先发谁后发，怎么协调，会根据具体的协议指定，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：

　　第四步：接受数据

# 接收数据:
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字节:
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b‘‘.join(buffer)

　　第五步：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(b‘\r\n\r\n‘, 1)
print(header.decode(‘utf-8‘))
# 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

　　服务器编程相对复杂一点

　　需要绑定端口用来监听连接请求，需要位每个请求新开一个线程来处理

　　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的请求，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。

import socket,threading,time
def main():
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#首先，创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket：
    s.bind((‘127.0.0.1‘,9999))#端口号需要预先指定。
    s.listen(5)#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
    print(‘Waitting for connection...‘)
    while True:
        sock,addr=s.accept()#accept()会等待并返回一个客户端的连接:
        t=threading.Thread(target=tcplink,args=(sock,addr))
        t.start()
def tcplink(sock,adds):
    print(‘Accept new connection form %s:%s‘%adds)
    sock.send(b‘Welcome‘)
    while True:
        data=sock.recv(1024)#之后所有的操作都由这个socket
        time.sleep(1)
        if not data or data.decode(‘utf-8‘)==‘exit‘:
            break
        sock.send((‘hello%s‘%data.decode(‘utf-8‘)).encode(‘utf-8‘))#这里send不加b‘‘
    sock.close()
    print(‘connection from %s:%s closed‘%addr)
if __name__ == "__main__":
    main()

　　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，也可以用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。

　　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

　　服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接

　　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

　　要测试这个服务器程序，我们还需要编写一个客户端程序：

import socket
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.connect((‘127.0.0.1‘,9999))
# print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))#如果这里不接受会怎么样
for data in [b‘Michael‘, b‘Tracy‘, b‘Sarah‘]:
    # 发送数据:
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))
s.send(b‘exit‘)
s.close()

　　

　　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，要首先监听指定端口，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。

 

UDP编程

　　使用UDP协议时，不需要建立连接，知道目标计算机的IP地址和端口后，可以直接向目标计算机发送数据。它的优点时速度快，缺点时不能保证传输的可靠性

　　使用UDP协议也需要区分客户端和服务端。

　　客户端

　　新建一个基于UDP协议的Socket对象，不需要与服务器建立连接，向服务器发送数据，接受服务器的数据，虽然不需要建立连接，但是需要关闭打开的Socket

import socket
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
# s.connect((‘127.0.0.1‘,9999))
# print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))
for data in [b‘Michael‘, b‘Tracy‘, b‘Sarah‘]:
    # 发送数据:
    s.sendto(data,(‘127.0.0.1‘,9999))
    print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))
s.close()

　　

　　服务端

　　新建一个Socket对象、然后绑定IP地址和端口号。不需要LIsten（）方法，可以直接接受数据。可以调用resvfrom（size）返回最多size大小的数据、和对方的地址。可以直接调用sentto（）方法向对方发送数据

　　多线程省去了

import socket

def main():
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
    s.bind((‘127.0.0.1‘,9999))
    while True:
        data,addr=s.recvfrom(1024)
        print(‘Recived from address%s:%s‘%addr)
        s.sendto(‘Hello %s‘%data,addr)

　　

　　此外，UDP的端口号和TCP的端口号不冲突，可以同时将UDP和TCP的端口申请为9999