Python——Socket编程

基础知识

计算机网络

计算机网络.png

A:IP地址 (1) 用来标识网络上一台独立的主机

               (2) IP地址 = 网络地址 + 主机地址（网络号：用于识别主机所在的网络/网段。主机号：用于识别该网络中的主机）

               (3) 特殊的IP地址：127.0.0.1（本地回环地址、保留地址，点分十进制）可用于简单的测试网卡是否故障。表示本机。

B:端口号:  (1) 用于标识进程的逻辑地址。不同的进程都有不同的端口标识。

               (2) 端口：要将数据发送到对方指定的应用程序上，为了标识这些应用程序，所以给这些网络应用程序都用数字进行标识。为了方便称呼这些数字，则将这些数字称为端口。（此端口是一个逻辑端口）

C: 传输协议：通讯的规则。例如：TCP、UDP协议（好比两个人得用同一种语言进行交流）

①、UDP：User Datagram Protocol用户数据报协议

特点：

面向无连接：传输数据之前源端和目的端不需要建立连接。
每个数据报的大小都限制在64K（8个字节）以内。
面向报文的不可靠协议。（即：发送出去的数据不一定会接收得到）
传输速率快，效率高。
现实生活实例：邮局寄件、实时在线聊天、视频会议…等。

②、TCP：Transmission Control Protocol传输控制协议

特点：

面向连接：传输数据之前需要建立连接。
在连接过程中进行大量数据传输。
通过“三次握手”的方式完成连接，是安全可靠协议。
传输速度慢，效率低。
注意：在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

 # “我能给你讲个关于tcp的笑话吗?”
 #   “行,给我讲个tcp笑话.” 
 #   “好吧那我就给你讲个tcp笑话.”

网络通讯步骤：

 确定对端IP地址→ 确定应用程序端口 → 确定通讯协议

 总结：网络通讯的过程其实就是一个（源端）不断封装数据包和（目的端）不断拆数据包的过程。

 简单来说就是：发送方利用应用软件将上层应用程序产生的数据前后加上相应的层标识不断的往下层传输（封包过程），最终到达物理层通过看得见摸得着的物理层设备，例如：网线、光纤…等将数据包传输到数据接收方，然后接收方则通过完全相反的操作不断的读取和去除每一层的标识信息（拆包过程），最终将数据传递到最高层的指定的应用程序端口，并进行处理。

SOCKET编程

 要想理解socket,就要先来理解TCP,UDP协议

 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准，

从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

传输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的

我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层(TCP/IP协议族通信)之间的一个抽象层，是一组接口，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

应用程序两端通过“套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。可以把socket理解为通信的把手（hand）

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。socket的英文原义是“插槽”或“插座”，就像我们家里座机一样，如果没有网线的那个插口，电话是无法通信的。Socket是实现TCP，UDP协议的接口，便于使用TCP,UDP。

socket通信流程

socket通信流程.png

# 流程描述：
# 
# 1 服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket
# 
# 2 服务器为socket绑定ip地址和端口号
# 
# 3 服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开
# 
# 4 客户端创建socket
# 
# 5 客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket
# 
# 6 服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直等到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端连接请求
# 
# 7 客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息
# 
# 8 服务器accept方法返回，连接成功
# 
# 9 客户端向socket写入信息(或服务端向socket写入信息)
# 
# 10 服务器读取信息(客户端读取信息)
# 
# 11 客户端关闭
# 
# 12 服务器端关闭

Socket的各种Api

• 构造方法

socket的构造方法接收两个重要的参数。分别是：family,type

• family:是指定不同的通信
  * family = AF_INET :服务器间的通信
  * family - AF_UNIX: Unix不同进程间的通信
• bind(address) 将套接字绑定到地址。在AF_INET下，以元组的形式表示地址
• listen(backlog) 开始监听传入的连接。backlog指定在拒绝连接之前。可以挂起的最大连接数量
  * 这个值不能无限大，因为要在内核中维护连接队列
• 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
• 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
  注意：在Python3中传送的内容一定是byte类型
• recv(bufsize[,flag]) 接受套接字的数据，数据以字符串形式返回，bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其它信息，通常可以忽略
• recvform(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
• connect(address) 连接到address处的套接字，一般，address的格式为元组，如果连接出错，返回socket.error错误
• close() 关闭套接字
• accept() 接收并返回(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是接收的客户端的地址
  * 在这里返回的conn是建立连接的套接字对象，客户端与服务端就是通过这个conn进行通信的，那么server与conn各自的socket对象是做什么的呢？他们是为了等待发送和接收数据的，socket是不同的
  * 接收TCP客户的连接等待客户端的连接
• connect(address) 连接到address处的套接字，一般,address的格式为元组。如果连接错误，返回socket.error错误
• connect_ex(address) 同上，只不过会有返回值，连接成功时返回0,连接失败时返回编码
• setblocking(bool) 是否阻塞(默认True) 如果设置为False 那么accept和recv时一旦没有数据，就会报错
• 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。
• settimeout(timeout) 设置套接字操作的超时事件，timeout是一个浮点数，单位是秒、值为None表示没有超时期，建议在刚创建套接字时设置
• getpeername() 返回连接套接字的远程地址，返回值通常是元组
• getsockname() 返回套接字自己的地址
• fileno() 套接字的文件描述符

栗子

• server代码

import socket
# 创建socket对象
sk = socket.socket()
address = ('127.0.0.1', 8555)
# 绑定地址
sk.bind(address)
sk.listen(3)
# 监听客户端连接
while True:
    conn, address = sk.accept()
    print(address)
    while True:
        # 接收信息
        data = conn.recv(1024)
        if not data:
            break
        print(str(data, 'utf8'))
        # 发送信息
        inp = input('>>>')
        conn.send(bytes(inp, 'utf8'))
sk.close()

• client代码

import socket
sk = socket.socket()
address = ('127.0.0.1', 8555)
sk.connect(address)
while True:
    inp = input('>>>')
    if inp == 'exit':
        break
    if not inp:
        continue
        # 发送数据
    sk.send(bytes(inp, 'utf8'))                 
    data = sk.recv(1024)  # 接收数据
    print(str(data, 'utf8'))
sk.close()

sockerserver

虽说用Python编写简单的网络程序很方便，但复杂一点的网络程序还是用现成的框架比较好。这样就可以专心事务逻辑，而不是套接字的各种细节。SocketServer模块简化了编写网络服务程序的任务。同时SocketServer模块也是Python标准库中很多服务器框架的基础。

socketserver模块可以简化网络服务器的编写，Python把网络服务抽象成两个主要的类，一个是Server类，用于处理连接相关的网络操作，另外一个则是RequestHandler类，用于处理数据相关的操作。并且提供两个MixIn 类，用于扩展 Server，实现多进程或多线程。

Server类

它包含了种五种server类，BaseServer(不直接对外服务)。TCPServer使用TCP协议，UDPServer使用UDP协议，还有两个不常使用的，即UnixStreamServer和UnixDatagramServer,这两个类仅仅在unix环境下有用(AF_unix)。

创建一个socketserver的步骤

1.首先，必须创建一个socketserver.BaseRequestHandler的子类，然后重写父类的handler方法，这个方法将会处理传入的请求
2.必须实例化一个服务器的类，通过它处理服务器的地址和请求的类
3.然后调用handler_request()或者server_forever来处理服务器对象的一个或者多个请求
4 最后调用server.close()来关闭socket

api

在handler中，self中封装了request代表了连接的对象

• 简单收发server-client

'''
支持并发聊天的server
'''
import socketserver


class MySocketServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print('服务端启动')
        while True:
            conn = self.request
            print(self.client_address)
            while True:
                # 接收数据
                client_data = conn.recv(1024)
                print(str(client_data, 'utf8'))
                print('waiting...')
                # 发送数据
                inp = input('>>>')
                conn.sendall(bytes(inp, 'utf8'))
            conn.close()


if __name__ == '__main__':
    # 创建socketserver对象
    server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1', 8000), MySocketServer)
    # 启动服务
    server.serve_forever()

• client

'''
支持并发聊天的client
'''
import socket

# 创建socket对象
sk = socket.socket()
# 指定ip 端口
ip_port = ('127.0.0.1', 8000)

# 连接服务
sk.connect(ip_port)
print('客户端启动')
while True:
    inp = input('>>>')
    sk.sendall(bytes(inp, 'utf8'))
    # 接收数据
    data = sk.recv(1024)
    print(str(data, 'utf8'))
    if inp == 'exit':
        break
sk.close()

在服务器中 每次连接服务时都会持有连接的客户端的request对象，所以在服务器发送消息时会出现哪个客户端先发送的就由哪个客户端接收