Python入门——网络编程-Socket（套接字）

套接字概括

三要素:
	1. IP地址: 网络环境下每一台计算机的唯一标识, 通过IP地址来找到指定的计算机
	2. 端口: 用于标识进程的逻辑地址, 通过端口来找到指定的进程
	3. 协议: 定义通信规则, 符合协议则可以通信, 否则无法正常通信
	
	端口: 程序间进行数据交互
	端口号: 程序在设备的唯一标识

TCP协议

TCP特点:
	面向连接: 通信双方必须先建立好连接才能进行数据传输,数据传输完成后,需要断开连接,以释放系统资源
	可靠传输: 
		1. 都建立了连接, 传输数据可靠
		2. 必须要先建立连接, 相对效率较低
		3. 大多数服务器程序都是使用TCP协议开发的,比如文件下载,网页浏览等

知名端口号: 0-1023(被系统占用或为保留端口)
动态端口号: 1024 - 65535

socket（简称 套接字）是进程之间的一个通信工具，好比家用电器工作都是基于插座进行，进程之间想要进行网络通信需要socket

socket负责进程之间的网络数据传输，好比数据的搬运工

两个进程之间通过socket进行相互通讯，就必须有服务端和客户端，服务端等待其他进程的连接，客户端主动连接服务端，都可以发送、接受数据

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# socket(AddressFamily, Type)
# 参数 AddressFamily可以选择 AF_INET用于Internet进程间通信,实际工作中常用
# 参数 Type表示套接字类型, 可以是 SOCK_STREAM流式套接字,主要用于 TCP协议

tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 
# family=AddressFamily.AF_INET：这表示socket使用的地址族是IPv4（AF_INET）。如果你使用的是IPv6，这里会是AddressFamily.AF_INET6。

• fd=368：这是socket的文件描述符（file descriptor），是操作系统用来标识和访问socket的一个数字。每个socket都有一个唯一的文件描述符。这个值在每次创建时都有可能不同
• family=2：这表示socket使用的地址族。在Python的socket模块中，地址族通常是通过枚举来指定的，但在某些情况下（比如打印对象时），它们可能会以数值形式显示。2 通常对应于 socket.AF_INET，即IPv4地址族。
• type=1：这表示socket的类型。同样，类型通常是通过枚举来指定的，但在这里以数值形式显示。1 通常对应于 socket.SOCK_STREAM，即面向连接的TCP协议。
• proto=0：这表示socket使用的协议。对于TCP和UDP，这个值通常是0，因为它们的协议类型已经由地址族和类型参数指定了。

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套接字详解

1. 什么是套接字（Socket）？

套接字是计算机网络编程的基础，是操作系统提供的一种通信机制，用于在两个节点之间传递数据。它是应用层与传输层之间的接口，允许程序在网络上传输数据，支持多种协议，如TCP、UDP等。

2. 套接字的基本工作原理

• 套接字创建：程序创建一个套接字，并指定使用的协议（如TCP、UDP）以及网络层协议（如IPv4、IPv6）。
• 绑定地址：服务器套接字会绑定到一个特定的IP地址和端口号，表示它将监听这个地址上的传入请求。
• 监听：在服务器端，套接字会进入监听模式，等待客户端的连接。
• 连接：客户端使用套接字连接到服务器的指定地址和端口。
• 数据传输：一旦连接建立，客户端和服务器可以通过套接字发送和接收数据。
• 关闭连接：数据传输完成后，双方关闭套接字以释放资源。

3. 套接字类型

• 流式套接字（TCP，SOCK_STREAM）：
  • 这种套接字使用TCP协议，面向连接，提供可靠的、基于字节流的通信。
  • 特点：保证数据的有序性、可靠性，并处理丢包和数据重传。
  • 场景：文件传输、HTTP请求、数据库连接等需要可靠传输的场景。
• 数据报套接字（UDP，SOCK_DGRAM）：
  • 这种套接字使用UDP协议，无连接，不保证数据的传输顺序和可靠性。
  • 特点**：速度快，开销小，适用于对数据可靠性要求不高但对效率要求高的场景。**
  • 场景：视频直播、在线游戏、VoIP等。

4. Python套接字编程

Python提供了socket模块来处理套接字编程。以下是TCP和UDP套接字编程的基本步骤和示例。

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4.1 TCP 套接字编程

TCP 服务端

import socket

# 创建TCP套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 绑定地址（IP和端口）
server_socket.bind(('localhost', 8080))

# 开始监听，允许的最大连接数为5
# listen方法内接受一个整数传参数，表示接受的连接数量
server_socket.listen(5)
print("Server is listening on port 8080...")

while True:
    # 接收客户端连接
    # accept方法返回的是二元元组（客户端和服务端的本次链接对象，客户端地址信息）
    # accept()方法是 阻塞方法，若无连接，将不向下运行
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    print(f"Connection established with {addr}")

    # 接收客户端数据
    # recv接受的是缓冲区大小，一般给1024即可
    # recv方法返回的是一个字节数组（bytes）对象
    # 可以通过 decode方法用UTF-8编码转换为字符串(解码)
    data = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')
    print(f"Received from client: {data}")

    if data == 'exit':
        # 关闭客户端连接
        client_socket.close()
        # server_socket.close()

    # 发送数据给客户端
    """
    client_socket是在server_socket.accept()后创建的，
    它负责与客户端通信。server_socket只用于监听连接，而client_socket
    用于与特定客户端进行数据传输。
    encode可以将字符串 编码 为字节数组对象
    """
    replay = input(' ').encode('utf-8')
    client_socket.send(replay)

    # 关闭客户端连接
    client_socket.close()

TCP 客户端

import socket

# 1. 创建 socket对象
socket_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 2. 连接服务端
socket_client.connect(('localhost', 8888))

# 3. 发送消息、接受返回消息
while True:
    data = input('客户端：')
    if data == 'exit':
        break
    socket_client.send(data.encode('UTF-8'))
    reply = socket_client.recv(1024).decode('UTF-8')
    print(f'服务端：{reply}')

# 4. 关闭连接
socket_client.close()

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4.2 UDP 套接字编程

UDP 服务端

import socket

# 创建UDP套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 绑定地址
server_socket.bind(('localhost', 8080))
print("UDP server is up and listening...")

while True:
    # 接收数据
    data, addr = server_socket.recvfrom(1024)
    print(f"Received from {addr}: {data.decode('utf-8')}")
    
    # 发送响应数据
    server_socket.sendto(b"Hello from UDP server!", addr)

UDP 客户端

import socket

# 创建UDP套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 发送数据给服务器
client_socket.sendto(b"Hello from UDP client!", ('localhost', 8080))

# 接收服务器的数据
response, server_addr = client_socket.recvfrom(1024)
print(f"Received from server: {response.decode('utf-8')}")

# 关闭套接字
client_socket.close()

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5. 套接字函数和方法

• socket.socket(family, type)：创建一个套接字对象。
  • family: 地址族（AF_INET 表示IPv4, AF_INET6 表示IPv6）。
  • type: 套接字类型（SOCK_STREAM 表示TCP，SOCK_DGRAM 表示UDP）。
• socket.bind(address)：将套接字绑定到一个地址（IP, 端口）。
• socket.listen(backlog)：使套接字进入监听模式，backlog指定最大等待连接的数量。
• socket.accept()：接受客户端连接，返回（客户端套接字，客户端地址）。
• socket.connect(address)：客户端使用该函数连接到服务器。
• socket.recv(bufsize)：接收数据，bufsize指定接收数据的最大字节数。
• socket.send(data)：发送数据，data是要发送的字节串。
• socket.close()：关闭套接字。
• socket.recvfrom(bufsize)：UDP套接字接收数据，返回（数据，发送者地址）。
• socket.sendto(data, address)：UDP套接字发送数据。

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6. 套接字异常处理

在网络编程中，可能会遇到各种异常情况，如连接超时、网络中断等，因此在编写套接字程序时，必须处理这些异常。

import socket

try:
    # 尝试创建套接字
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
    # 尝试连接到服务器
    client_socket.connect(('localhost', 8080))
    
    # 发送数据
    client_socket.send(b"Hello!")
    
except socket.error as e:
    print(f"Socket error: {e}")

finally:
    # 确保关闭套接字
    client_socket.close()

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7. 套接字的超时设置

可以设置套接字的超时，以避免程序无限期等待某些操作。

import socket

# 创建TCP套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 设置超时时间为5秒
client_socket.settimeout(5)

try:
    client_socket.connect(('localhost', 8080))
    client_socket.send(b"Hello!")
    
except socket.timeout:
    print("Connection timed out.")
    
finally:
    client_socket.close()

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8. 总结

套接字是网络编程的核心技术之一，它提供了不同节点间的数据传输方式。理解和掌握套接字的使用方法可以帮助我们构建各种网络应用程序，例如聊天系统、Web服务器、文件传输工具等。