Socket Programming in Python(Guide)

Sockets 和 socket API被用于在网络上发送消息。它们提供了进程间通信(IPC)的一种形式。而网络既可以是连接到计算机的本地网络，也可以是计算机被连接到外部的真实网络(比如Internet网)

本文用三种不同的迭代版本 实现socket服务端和客户端：

1. 我们将以一个简单的socket服务端和客户端的例子，来开始本文。
2. 一旦在第一个例子中，你已经了解了soket API 以及它的运作过程，我们将实现一个对第一个例子进行改进，让它可以同时处理多个连接。
3. 最终，我们将以一个例子展示 服务端和客户端 应有的完备的功能。

读完本文，你将了解如何使用Python socket module 中重要的函数和方法来实现client-server应用程序。同时向你展示了在endpoints端点之间如何使用自定义的类来发送消息和数据，你可以在endpoints端点之上构建并使用你的应用程序。

本文中的例子使用了Python3.6（source code on GitHub）。

网络和socket是个庞大的主题。当然，有很多关于它们的文章。如果你刚接触socket和网络，你会对其中大量的知识点和术语感到不知所措，这很正常。

不过，不要灰心。我已经为你写了这篇文章。就像我们学习Python一样，我们可以每次学一点知识。你可以收藏本文，当你知识储备足够时，再回过头来学习本文的下一章节。
好了，让我们开始吧。

Background

Sockets有着悠久的历史。Sockets的使用最早出现在1971年的ARPNET中，之后在1983年发布的BSD 操作系统中成为了一个API，此时被称为Berkeley sockets。

当Internet随着万维网World Wide Web在1990年代的突然成功，网络编程也开始了腾飞。Web服务器和浏览器不是唯一的利用新建Internet网络和sockets的应用程序。Client-server 应用程序以不同的类型和规模被广泛的使用。

今天，虽然socket API使用的协议 随着时间已经演变和进化，我们也看到了一些新的socket API，但是底层的API仍旧没有变化。

最常用的socket应用程序是client-server应用程序，也就是一端作为server 并等待client的连接。也就是我们在本文要讲的 应用程序类型。更具体地，我们将了解 Internet sockets的socket API，有时会被称作BSD sockets或者Berkeley sockets。当然也会涉及到Unix domain sockets，Unix domain sockets只能用来在同一台主机上进行进程间的通信。

Socket API Overview

Python’s socket module提供了使用Berkeley sockets API的接口。在本文中，我们将使用和讨论该module。

该module中主要的socket API函数有：

• socket()
• bind()
• listen()
• accept()
• connect()
• connect_ex()
• send()
• recv()
• close()
  Python提供了方便并且前后一致的API，这些API直接映射到 系统调用，这些系统调用采用c实现。我们将在下一节 了解这些API是如何结合起来使用的。
  As part of its standard library, Python also has classes that make using these low-level socket functions easier. Although it’s not covered in this tutorial, see the socketserver module, a framework for network servers. There are also many modules available that implement higher-level Internet protocols like HTTP and SMTP. For an overview, see Internet Protocols and Support.
  作为标准库的一部分，Python也定义了一些类，来方便我们使用这些底层的socket function。虽然，本文不涉及这部分内容，但是可以查看 socketserver module文档，为network server实现的框架。Python中也有许多module实现了上层的Internet protocols，比如HTTP，SMTP。想对这些modules作个了解的话，可以查看Internet Protocols and Support文档。

TCP Sockets

很快你就很看到，我们将使用socket.socket()创建一个socket object，并使用socket.SOCK_STREAM指定socket type。当你这样做的时候，默认使用的协议是 Transmission Control Protocol (TCP)。

为什么你应该使用TCP？The Transmission Control Protocol (TCP):

• 可靠: 在网络中被丢弃的包会被检测到，并且 发送者会再次发包
• 数据 按顺序传输: 你应用读到的数据 和 发送者发送的顺序 是一致的

作为对比，使用socket.SOCK_DGRAM创建的User Datagram Protocol (UDP) socket 是不可靠的，接受者读取的数据顺序 可能 和发送者写数据的顺序 不一致。

为什么TCP很重要呢？网络是一个尽最大努力进行传输的系统。网络并不能保证：1）你的数据会到达目的地 2）你将会接收到传送给你的数据

网络设备(比如，路由器，交换机)的可利用带宽是有限的，并且有着固有的系统限制(就行我们的clients和servers一样，有着CPUs，内存，总线，packet buffers等)。不使用TCP的话，你就不得不担心丢包packet loss，数据包到达顺序紊乱，还有在你通过网络进行通信时总是会发生的一些事情。

在下表中，TCP的socket API的调用顺序 和 数据的流动：

sockets-tcp-flow.jpg

左侧一栏代表server，右侧代表client。

从左侧一栏的上面开始，注意server调用API calls来设置一个监听socket：

• socket()
• bind()
• listen()
• accept()

一个listenning socket所做的事情，就像它的名字那样。它监听 来自client的连接。当client尝试连接时，server 调用accept()来建立连接。

client 调用connect()来建立 一个到server的连接，并 初始化 三次握手。握手的步骤是很重要的，因为握手确保了 连接的两端 在网络中 是可以访问到的，换句话说：client 可以访问到server，server也可以访问到client。有可能出现的情况是，只有一个主机(client or server)可以访问到另一端。

在上图的中间是 往返的部分，数据在client和server之间进行交换，使用send()和recv()这两个函数。

At the bottom, the client and server close() their respective sockets.
在上图的底部，client和serverclose()它们各自的sockets

原文太长了，下回再译。
to be continued...

本文翻译自https://realpython.com/python-sockets/，转载请注明出处。