Python-Python高阶技巧：TCP介绍、Python3编码转换、TCP客户端程序开发流程、TCP服务端程序开发、socket类、案例-多任务版TCP服务端程序开发
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文章目录
- 版本说明
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- TCP介绍
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- 1.1 TCP概念
- 1.2 TCP的特点
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- 面向连接
- 可靠传输
- 1.3 知识要点
- python3编码转换
-
- 2.1 网络数据的传输
- 2.2 数据的编码转化
- TCP客户端程序开发流程
-
- 3.1 TCP客户端程序开发流程介绍
- TCP客户端程序开发
-
- 4.1 socket类的介绍
- 4.2 客户端socket类的参数和方法说明
- 4.3 开发客户端使用到的函数
- 4.4 创建TCP客户端套接字
- 4.5 TCP客户端程序发送消息
- 4.6 TCP客户端程序接收消息
- TCP服务端程序开发
-
- 5.1 TCP服务端程序开发流程介绍
- 5.2 socket类的介绍
-
- 5.2.1 服务端socket类的参数和方法说明
- 5.2.2 TCP服务端程序开发相关函数
- 5.2.3 TCP服务端程序接收消息
- 5.2.4 TCP服务端程序发送消息
- 5.2.5 知识要点
- 5.3 TCP网络应用程序注意点的介绍
- 5.4 socket之send和recv原理剖析
-
- 5.4.1 TCP socket的发送和接收缓冲区
- 5.4.2 send原理剖析
- 5.4.3 ecv原理剖析
- 5.4.4 send和recv原理剖析图
- 5.4.5 知识要点
- 5.5 案例-多任务版TCP服务端程序开发
-
- 5.5.1 可以接受多个客户端的请求
- 5.5.2 使用线程同时服务于多个客户端
- 5.5.1 知识要点
TCP介绍
之前我们学习了IP地址和端口号，通过IP地址能够找到对应的设备，然后再通过端口号找到对应的端口，再通过端口把数据传输给应用程序，这里要注意，数据不能随便发送，在发送之前要选择网络传输方式（传输协议），保证程序之间按照指定的传输规则进行数据的通信。
1.1 TCP概念
TCP的英文全拼(Transmission Control Protocol)简称传输控制协议，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
1.2 TCP的特点
面向连接
通信双方必须先建立好连接才能进行数据的传输，并且双方都会为此连接分配必要资源用来记录连接的状态和信息。当数据传输完成后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。
可靠传输
-
TCP采用发送应答机制
通过TCP这种方式发送的每个报文段都必须得到接收方的应答才认为这个TCP报文段传送成功
-
超时重传
发送端发送一个报文之后就会启动定时器，如果指定时间内没有得到应答就会重新发送这个报文段
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错误校验
TCP用一个校验和函数来校验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和
-
流量控制和阻塞管理
流量控制用来避免发送端发送过快而使得接收方来不及接收
1.3 知识要点
TCP是一个稳定、可靠的传输协议，常用于对数据进行准确无误的传输，比如：文件下载，浏览器上网。
python3编码转换
2.1 网络数据的传输
网络传输是以二进制数据进行传输的
提示：
在网络传输数据的时候，数据需要先编码转化为二进制（bytes）数据类型
2.2 数据的编码转化
提示：
encoed()和decode()函数可以接受参数,encoding是指在编解码过程中使用的编码方案。
bytes.decode(encoding=“utf-8”)
str.encode(encoding=”utf-8”)
TCP客户端程序开发流程
TCP网络应用程序开发分为:
- TCP客户端程序开发
- TCP服务端程序开发
如何区分两个程序？
- 主动发起建立连接请求的是客户端程序
- 等待接受连接请求的是服务端程序
客户端程序是指运行在用户设备上的程序
服务端程序是指运行在服务器设备上的程序，专门为客户端提供数据服务。
3.1 TCP客户端程序开发流程介绍
1.创建客户端套接字对象(买电话）
2.和服务端套接字建立连接(打电话)
3.发送数据(说话)
4.接收数据(接听)
5.关闭客户端套接字(挂电话)
TCP客户端程序开发
4.1 socket类的介绍
导入socket模块
rfykgaierw
import socket
创建客户端socket对象使用socket类
socket.socket(AddressFamily, Type)
4.2 客户端socket类的参数和方法说明
4.3 开发客户端使用到的函数
4.4 创建TCP客户端套接字
import socket
# 创建udp的套接字
# AF_INET: ipv4地址类型
# SOCK_STREAM: TCP传输协议类型
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# ...这里是使用套接字的功能（省略）.
# 不用的时候，关闭套接字
s.close()
4.5 TCP客户端程序发送消息
import socket
# 创建tcp socket
tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 目的信息
server_ip = input(“请输入服务器ip:”)
server_port = int(input(“请输入服务器port:”))
# 连接服务器套接字
tcp_client_socket.connect((server_ip, server_port))
# 提示用户输入数据
send_data = input(“请输入要发送的数据：”)
tcp_client_socket.send(send_data.encode(”utf-8“)) # 注意：如果是windows的网络调试助手
使用gbk编码
# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()
4.6 TCP客户端程序接收消息
import socket
# 创建tcp socket
tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_ip = input("请输入服务器ip:")
server_port = int(input("请输入服务器port:"))
# 连接服务器套接字
tcp_client_socket.connect((server_ip, server_port))
send_data = input("请输入要发送的数据：")
tcp_client_socket.send(send_data.encode(”utf-8"))
# 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
recvData = tcp_client_socket.recv(1024)
print('接收到的数据为:', recvData.decode(’utf-8'))
# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()
TCP服务端程序开发
具有了客户端和服务端，一个网络应用才可以真正的使用
5.1 TCP服务端程序开发流程介绍
1.创建服务端端套接字对象
2.绑定IP地址和端口号
3.设置监听
4.等待接受客户端的连接请求
5.接收数据
6.发送数据
7.关闭套接字
5.2 socket类的介绍
导入socket模块
import socket
创建服务端socket对象使用socket类
socket.socket(AddressFamily, Type)
5.2.1 服务端socket类的参数和方法说明
5.2.2 TCP服务端程序开发相关函数
5.2.3 TCP服务端程序接收消息
import socket
# 创建socket
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
tcp_server_socket.bind(("", 7788)) #绑定IP地址和端口号
# 设置监听
tcp_server_socket.listen(128) # 128:表示最大等待连接数
# 如果有新的客户端来连接服务端，那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
recv_data = client_socket.recv(1024) # 接收1024个字节
print("接收到的数据为:", recv_data.decode())
client_socket.close() # 关闭为这个服务与客户端的套接字
tcp_server_socket.close() # 关闭为这个服务端套接字
5.2.4 TCP服务端程序发送消息
import socket
# 创建socket
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
tcp_server_socket.bind(("", 7788)) #绑定IP地址和端口号
tcp_server_socket.listen(128) # 设置监听, 128:表示最大等待连接数
# 如果有新的客户端来连接服务端，那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
recv_data = client_socket.recv(1024) # 接收1024个字节
print("接收到的数据为:", recv_data.decode())
client_socket.send("thank you !".encode()) # 发送数据到客户端
client_socket.close()# 关闭为这个服务与客户端的套接字
tcp_server_socket.close()# 关闭为这个服务端套接字
5.2.5 知识要点
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导入socket模块
-
创建TCP套接字‘socket’
参数1: ‘AF_INET’, 表示IPv4地址类型
参数2: ‘SOCK_STREAM’, 表示TCP传输协议类型
- 绑定端口号‘bind’
参数1: 元组, 比如:(’’, 端口号)，元组里面的一个元素是ip地址，一般不需要设置，第二个元素是启动程序后使用的端口号。
- 设置监听‘listen’
参数1: 最大等待连接数
-
等待接受客户端的连接请求‘accept’
-
发送数据‘send’
参数1: 要发送的二进制数据， 注意: 字符串需要使用encode()方法进行编码
- 接收数据‘recv’
参数1: 表示每次接收数据的大小，单位是字节，注意: 解码成字符串使用decode()方法
- 关闭套接字‘socket’表示通信完成
5.3 TCP网络应用程序注意点的介绍
- 当TCP客户端程序想要和TCP服务端程序进行通信的时候必须要先建立连接
- TCP客户端程序一般不需要绑定端口号，因为客户端是主动发起建立连接的。
- TCP服务端程序必须绑定端口号，否则客户端找不到这个TCP服务端程序。
- listen后的套接字是被动套接字，只负责接收新的客户端的连接请求，不能收发消息。
- 当TCP客户端程序和TCP服务端程序连接成功后，TCP服务器端程序会产生一个新的套接字，收发客户端消息使用该套接字。
- 关闭accept返回的套接字意味着和这个客户端已经通信完毕。
- 当客户端的套接字调用close后，服务器端的recv会解阻塞，返回的数据长度为0，服务端可以通过返回数据的长度来判断客户端是否已经下线，反之服务端关闭套接字，客户端的recv也会解阻塞，返回的数据长度也为0。
5.4 socket之send和recv原理剖析
5.4.1 TCP socket的发送和接收缓冲区
当创建一个TCP socket对象的时候会有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这个发送和接收缓冲区指的就是内存中的一片空间。
5.4.2 send原理剖析
send是不是直接把数据发给服务端?
不是，要想发数据，必须得通过网卡发送数据，应用程序是无法直接通过网卡发送数据的，它需要调用操作系统接口，也就是说，应用程序把发送的数据先写入到发送缓冲区(内存中的一片空间)，再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡
5.4.3 ecv原理剖析
recv是不是直接从客户端接收数据?
不是，应用软件是无法直接通过网卡接收数据的，它需要调用操作系统接口，由操作系统通过网卡接收数据，把接收的数据写入到接收缓冲区(内存中的一片空间），应用程序再从接收缓存区获取客户端发送的数据。
5.4.4 send和recv原理剖析图
说明：
发送数据是发送到发送缓冲区，接收数据是从接收缓冲区
5.4.5 知识要点
不管是recv还是send都不是直接接收到对方的数据和发送数据到对方，发送数据会写入到发送缓冲区，接收数据是从接收缓冲区来读取，发送数据和接收数据最终是由操作系统控制网卡来完成。
5.5 案例-多任务版TCP服务端程序开发
目前我们开发的TCP服务端程序只能服务于一个客户端，那该如何实现一个服务端服务多个客户端？下面我们分两半进行分析。
5.5.1 可以接受多个客户端的请求
实现步骤分析:
- 编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求
示例代码如下：
import socket
# 创建socket
if __name__ == '__main__':
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
tcp_server_socket.bind(("", 8888)) #绑定IP地址和端口号
tcp_server_socket.listen(128)# 设置监听, 128:表示最大等待连接数
while True:
# 如果有新的客户端来连接服务端，那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
recv_data = client_socket.recv(1024) # 接收1024个字节
print("接收到的数据为:", recv_data.decode())
client_socket.send("thank you !".encode()) # 发送数据到客户端
client_socket.close()# 关闭为这个服务与客户端的套接字
tcp_server_socket.close()# 关闭为这个服务端套接字
示例结果如下：
但缺点就是：使用while true 可以服务多个客户端，但是要等第一个客户端运行结束后，才能到下一个。
5.5.2 使用线程同时服务于多个客户端
目前我们开发的TCP服务端程序不能同时服务于多个客户端
使用多任务可以实现一个服务端同时服务多个客户端，本案例中我们使用线程
实现步骤分析:
2. 当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞
示例代码如下：
import socket
import threading
def handle_client(conn_socket):
#接收数据
recv_data = conn_socket.recv(1024) # 接收1024个字节
print("接收到的数据为:", recv_data.decode())
conn_socket.send("thank you !".encode()) # 发送数据到客户端
conn_socket.close() # 关闭为这个服务与客户端的套接字
# 创建socket
if __name__ == '__main__':
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
tcp_server_socket.bind(("", 8888)) #绑定IP地址和端口号
tcp_server_socket.listen(128)# 设置监听, 128:表示最大等待连接数
while True:
# 如果有新的客户端来连接服务端，那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
conn_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
print("客户端地址：", ip_port)
#使用多线程去接收多个客户端的请求
sub_thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(conn_socket, ))
sub_thread.start()
tcp_server_socket.close()# 关闭为这个服务端套接字
示例结果如下：
5.5.1 知识要点
- 编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求
while True
service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
- 当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞
while True:
service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
sub_thread.start()
tcp_server_socket.close()# 关闭为这个服务端套接字
示例结果如下：
[外链图片转存中...(img-zgmLIhZC-1699542688026)]
#### 5.5.1 知识要点
1. 编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求
```python
while True
service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
- 当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞
while True:
service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
sub_thread.start()