Python9-基于socket的网络编程

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1.socket概述

套接字（Socket）是计算机网络编程中的一种抽象概念，用于在网络中传输数据。它提供了一种通信机制，使得不同计算机上的进程（或线程）能够通过网络进行相互通信和数据交换。

套接字可以看作是网络通信的端点，类似于两个进程之间的通信通道。每个套接字都与一个特定的IP地址和端口号相关联，它们用于标识网络中的进程和服务。

套接字可以分为两种类型：流套接字（Stream Socket）和数据报套接字（Datagram Socket）。

1. 流套接字（Stream Socket）：也称为面向连接的套接字，它提供了一种可靠的、面向连接的数据传输方式。使用流套接字时，数据可以按照顺序传输，确保传输的可靠性和完整性。这种套接字通常基于传输控制协议（TCP）实现，如Web浏览器和服务器之间的通信。
2. 数据报套接字（Datagram Socket）：也称为无连接套接字，它提供了一种不可靠的、无连接的数据传输方式。通过数据报套接字发送的数据以数据包（Datagram）的形式进行传输，不保证数据的顺序和可靠性。这种套接字通常基于用户数据报协议（UDP）实现，如视频流传输和实时游戏中的数据传输。

总结起来，套接字是计算机网络编程中用于实现进程间通信的一种机制，它提供了不同计算机上进程之间的数据传输通道。通过套接字，可以使用流套接字或数据报套接字进行可靠或不可靠的数据传输。

2.相关api说明

Python中的socket模块提供了用于网络编程的函数和类。

2.1创建socket对象

socket()：创建一个套接字对象，语法如下：

socket.socket(family, type, proto=0, fileno=None)

• family：指定套接字地址族，常用的是socket.AF_INET（IPv4）和socket.AF_INET6（IPv6）。
• type：指定套接字类型，常用的是socket.SOCK_STREAM（TCP）和socket.SOCK_DGRAM（UDP）。
• proto：可选参数，指定套接字的协议。默认为0，根据地址族和类型自动选择协议。
• fileno：可选参数，指定现有文件描述符。通常不需要使用。

2.2主机名和ip地址

socket模块提供包含下列若干函数，用于获取主机名和ip地址等信息。

# 1.获取本地主机名。该函数返回一个字符串，表示本地主机的主机名。
socket.gethostname()

import socket

hostname = socket.gethostname()
print("本地主机名:", hostname) # 本地主机名: shlyyy

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# 2.通过主机名获取IP地址。hostname：要获取其IP地址的主机名。
# 该函数接受一个主机名作为参数，并返回对应的IPv4地址的字符串形式。
socket.gethostbyname(hostname)

import socket

hostname = "www.example.com"
ip_address = socket.gethostbyname(hostname)
print("主机名:", hostname)  # 主机名: www.example.com
print("IPv4地址:", ip_address)  # IPv4地址: 93.184.216.34

该函数只适用于IPv4地址，对于IPv6地址，请使用socket.getaddrinfo()函数。

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# 3.通过主机名获取IP地址及相关信息。hostname：要获取其IP地址的主机名
# 该函数与gethostbyname()类似，不同之处在于它返回一个包含主机名、别名列表和IP地址列表的三元组。
socket.gethostbyname_ex(hostname)

import socket

hostname = "www.example.com"
host_info = socket.gethostbyname_ex(hostname)
print(host_info)  # ('www.example.com', [], ['93.184.216.34'])
print("主机名:", host_info[0])  # 主机名: www.example.com
print("别名列表:", host_info[1])  # 别名列表: []
print("IP地址列表:", host_info[2])  # IP地址列表: ['93.184.216.34']

该函数只适用于IPv4地址，对于IPv6地址，请使用socket.getaddrinfo()函数。

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# 4.通过主机名获取一个完全限定的域名（Fully Qualified Domain Name，FQDN）。
# hostname：要获取其完全限定域名的主机名。
socket.getfqdn(hostname)

import socket

hostname = "www.example.com"
fqdn = socket.getfqdn(hostname)
print("主机名:", hostname)  # 主机名: www.example.com
print("完全限定域名:", fqdn)  # 完全限定域名: www.example.com

完全限定域名是指包括主机名、域名和顶级域名的完整标识，用于唯一地标识主机在网络中的位置。socket.getfqdn()函数会使用系统的网络配置和DNS解析，获取指定主机名的完全限定域名。返回的完全限定域名可能是主机名的一部分或与主机名完全相同，具体取决于系统配置和DNS解析结果。

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# 5.通过IP地址获取主机名。ip_address：要获取其主机名的IP地址。
# 该函数接受一个IPv4地址作为参数，并返回一个包含主机名、别名列表和IP地址的三元组。
socket.gethostbyaddr(ip_address)

import socket

hostname = "ustc.edu.cn"
host_info = socket.gethostbyname_ex(hostname)
print(host_info)  # ('www.example.com', [], ['93.184.216.34'])

ip_address = str(host_info[2])
print(ip_address)

try:
    host_name, alias_list, ip_list = socket.gethostbyaddr(ip_address)
    print("Host name:", host_name)
    print("Alias list:", alias_list)
    print("IP list:", ip_list)
except socket.herror as e:
    print("Unable to resolve host:", e)

如果无法解析IP地址或找不到对应的主机名，该函数可能引发socket.herror异常。该函数只适用于IPv4地址，对于IPv6地址，请使用socket.getnameinfo()函数。socket.gethostbyaddr() 函数执行 DNS 查询来获取主机名和别名。因此，您的计算机必须能够访问 DNS 服务器，并且目标 IP 地址必须具有正确的 DNS 记录才能成功解析主机名。

不知道为什么我在使用这个函数时一直报错：socket.gaierror: [Errno 11001] getaddrinfo failed

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# 6.获取主机名和服务名的信息。
# 该函数根据提供的主机名和服务名，返回一个包含多个元组的列表，每个元组包含五个元素，分别表示地址族（family）、套接字类型（socktype）、协议（proto）、规范名称（canonname）和套接字地址（sockaddr）。
socket.getaddrinfo(host, port, family=0, type=0, proto=0, flags=0)


import socket

host = "ustc.edu.cn"
port = 80

try:
    addrinfo_list = socket.getaddrinfo(host, port)

    for addrinfo in addrinfo_list:
        family, socktype, proto, canonname, sockaddr = addrinfo
        print("Family:", family)
        print("Socket type:", socktype)
        print("Protocol:", proto)
        print("Canonical name:", canonname)
        print("Socket address:", sockaddr)

except socket.gaierror as e:
    print("Address resolution failed:", e)
'''
Family: AddressFamily.AF_INET6
Socket type: 0
Protocol: 0
Canonical name: 
Socket address: ('2001:da8:d800:642::248', 80, 0, 0)
Family: AddressFamily.AF_INET
Socket type: 0
Protocol: 0
Canonical name: 
Socket address: ('202.38.64.246', 80)
'''

• host：主机名或IP地址。
• port：端口号。
• family：可选参数，指定地址族。
• type：可选参数，指定套接字类型。
• proto：可选参数，指定协议。
• flags：可选参数，指定标志。

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# 7.根据服务名获取对应的端口号。
socket.getservbyname(servicename, protocolname=None)
'''
servicename：要获取端口号的服务名，例如http、ftp等。
protocolname：可选参数，指定协议名，例如tcp、udp等。如果未指定，将返回服务名的默认协议的端口号。
'''
import socket

port = socket.getservbyname('http')
print("HTTP端口号:", port)  # 输出：HTTP端口号: 80

port = socket.getservbyname('ssh', 'tcp')
print("SSH端口号:", port)  # 输出：SSH端口号: 22

2.3绑定socket对象到IP地址

bind()：将套接字绑定到指定的地址和端口，语法如下：

socket.bind(address)

• address：一个包含主机和端口号的元组，例如('127.0.0.1', 12345)。

sock = socket.socket()
sock.bind(('localhost', 8000))

sock1 = socket.socket()
sock1.bind((socket.gethostname(), 8001))

sock2 = socket.socket()
sock2.bind(('127.0.0.1', 8001))

2.4服务器端socket开始监听

listen()：开始监听连接请求，语法如下：

socket.listen(backlog)

• backlog：指定连接请求的最大数量。

2.5连接和接受连接

客户机端socket对象通过 connect() 方法尝试建立到服务器端socket的连接：

client_sock.connect(address)

连接成功时，该函数会返回None，连接失败时可能引发socket.error异常。

服务器端socket对象通过accept()方法进入 waiting（阻塞）状态。当接收到来自客户端的连接请求时，该函数返回一个新的套接字和客户端地址（元组形式），语法如下：

clientsocket, address = socket.accept()

2.6发送和接收数据

对于面向连接的TCP通信程序，客户端与服务器建立连接以后，通过socket对象的 send() 和 recv() 方法分别发送和接收数据：

socket.send(data, flags=0)

• data：要发送的数据，通常是字节流（bytes）形式。
• flags：可选参数，用于指定发送的标志。默认为0，表示没有特殊标志。

如果发送成功，它返回发送的字节数。如果发送失败，它可能引发socket.error异常。socket.send()函数是一个阻塞函数，意味着在发送数据期间，程序会一直等待。如果需要非阻塞的发送操作，可以使用socket.settimeout(timeout)函数设置超时时间，或者使用非阻塞的套接字（通过socket.setblocking(False)设置）进行发送。

socket.sendall(data, flags=0)

• data：要发送的数据，通常是字节流（bytes）形式。
• flags：可选参数，用于指定发送的标志。默认为0，表示没有特殊标志。

与socket.send()函数不同，socket.sendall()函数会自动处理数据发送的细节，确保所有数据都被发送完整而不会丢失。如果发送成功，该函数不返回任何值。如果发送失败，它可能引发socket.error异常。socket.sendall()函数也是一个阻塞函数。

socket.recv(buffer_size, flags=0)

• buffer_size：接收缓冲区的大小，表示一次接收的最大字节数。
• flags：可选参数，用于指定接收的标志。默认为0，表示没有特殊标志。

该函数从已连接的套接字接收数据，并将接收到的数据存储在一个字节流（bytes）中返回。如果没有数据可接收，该函数会阻塞程序，直到有数据到达或连接关闭。如果接收到的数据超过了指定的缓冲区大小，多余的数据可能会在后续的接收中返回。

如果接收成功，该函数返回接收到的字节流。如果接收失败，它可能引发socket.error异常。socket.recv()函数也是一个阻塞调用。

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对于非面向连接的TCP通信程序，客户机和服务器不需要预先建立连接，直接通过socket对象的 sendto()方法指定发送目标地址参数，recvfrom() 函数方法返回接受的数据以及发送源地址。

socket.sendto(data, address)

• data：要发送的数据，通常是字节流（bytes）形式。
• address：目标地址，表示数据发送的目标主机和端口号，可以是一个元组 (host, port)。

如果发送成功，它返回发送的字节数。如果发送失败，它可能引发socket.error异常。

socket.recvfrom(buffer_size)

• buffer_size：接收缓冲区的大小，表示一次接收的最大字节数。

该函数从套接字接收数据，并返回一个元组 (data, address)，其中 data 是接收到的字节流（bytes），address 是数据来源的地址。

如果没有数据可接收，该函数会阻塞程序，直到有数据到达或连接关闭。如果接收到的数据超过了指定的缓冲区大小，多余的数据可能会在后续的接收中返回。

3.简单TCP的网络程序

3.1TCP开发流程

TCP 服务器端步骤：

• 1.创建套接字对象：使用 socket.socket() 函数创建一个套接字对象。
• 2.绑定地址和端口：使用 bind() 函数绑定服务器的地址和端口。
• 3.监听连接：使用 listen() 函数开始监听连接请求。
• 4.接受连接：使用 accept() 函数接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字对象和客户端地址。
• 5.接收数据：使用 recv() 函数接收从客户端发送过来的数据。
• 6.发送响应：使用 send() 函数向客户端发送响应数据。
• 7.关闭连接：关闭客户端的套接字和服务器端的套接字。

TCP 客户端步骤：

• 1.创建套接字对象：使用 socket.socket() 函数创建一个套接字对象。
• 2.目标服务器地址和端口：设置目标服务器的地址和端口。
• 3.连接服务器：使用 connect() 函数连接到服务器。
• 4.发送数据：使用 send() 函数向服务器发送数据。
• 5.接收响应：使用 recv() 函数接收从服务器端发送过来的响应数据。
• 6.关闭连接：关闭客户端的套接字。

3.2TCP服务器端代码实现

import socket

serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
serversocket.bind(('127.0.0.1', 8001))
serversocket.listen(1)  # 开始侦听，队列长度为1

clientsocket, clientaddress = serversocket.accept()  # 使用阻塞方法以等待客户机连接请求

print('Connection from ', clientaddress)

while 1:
    data = clientsocket.recv(1024)
    if not data:
        break  # 接收到空数据时终止循环
    print('Received from client: ', repr(data))  # 输出接收到的数据，用repr()函数转换为字符串
    print('Echo: ', repr(data))
    clientsocket.send(data)

clientsocket.close()  # 关闭客户机socket
serversocket.close()  # 关闭服务器socket

3.3TCP客户端代码实现

import socket

clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
clientsocket.connect(('127.0.0.1', 8001))  # 连接到服务器

while 1:
    data = input('>')  # 接收用户输入数据
    clientsocket.send(data.encode())  # 数据转换为bytes对象并发送到服务器
    if not data:
        break  # 如果数据为空，终止循环
    newdata = clientsocket.recv(1024)  # 接收服务器的回送数据
    print('Received from server: ', repr(newdata))  # 输出接收到数据

clientsocket.close()  # 关闭客户机socket

4.基于UDP的网络程序

4.1UDP开发流程

基于UDP的网络程序是无连接的，发送数据时直接指定地址参数，接收数据时同时返回地址。

UDP 服务器端步骤：

• 1.创建套接字对象：使用 socket.socket() 函数创建一个套接字对象。
• 2.绑定地址和端口：使用 bind() 函数绑定服务器的地址和端口。
• 3.接收数据：使用 recvfrom() 函数接收从客户端发送过来的数据。
• 4.发送响应：使用 sendto() 函数向客户端发送响应数据。
• 5.关闭套接字：关闭服务器端的套接字。

UDP 客户端步骤：

• 1.创建套接字对象：使用 socket.socket() 函数创建一个套接字对象。
• 2.目标服务器地址和端口：设置目标服务器的地址和端口。
• 3.发送数据：使用 sendto() 函数向服务器发送数据。
• 4.接收响应：使用 recvfrom() 函数接收从服务器端发送过来的响应数据。
• 5.关闭套接字：关闭客户端的套接字。

4.2UDP服务器端代码实现

import socket

serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
serversocket.bind(('127.0.0.1', 8000))

while 1:
    data, address = serversocket.recvfrom(1024)  # 接收数据返回数据和客户机地址
    if not data:  # 接收到空数据终止循环
        break

    print('Received from client: ', address, repr(data))
    print('Echo: ', repr(data))
    serversocket.sendto(data, address)

serversocket.close()  # 关闭服务器socket

4.3UDP客户端代码实现

import socket

clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

while 1:
    data = input('>')  # 接收用户输入数据
    # 把数据转换为bytes对象，并发送到服务器
    clientsocket.sendto(data.encode(), ('127.0.0.1', 8000))
    if not data:  # 接收到空数据终止循环
        break

    newdata = clientsocket.recvfrom(1024)  # 接收服务器的回送数据
    print('Received from server: ', repr(newdata))  # 输出接收到数据

clientsocket.close()