使用Python进行TCP编程

Socket 是网络编程的一个抽象概念。

通常我们用一个 Socket 表示“打开了一个网络链接”,而打开一个 Socket 需要知道目标计算机的 IP 地址和端口号,再指定协议类型即可。

 

客户端


大多数连接都是可靠的 TCP 连接。

创建 TCP 连接时,主动发起连接的叫客户端被动响应连接的叫服务器

举个例子,当我们在浏览器中访问新浪时,我们自己的计算机就是客户端,浏览器会主动向新浪的服务器发起连接。

如果一切顺利,新浪的服务器接受了我们的连接,一个 TCP 连接就建立起来的,后面的通信就是发送网页内容了。

所以,我们要创建一个基于 TCP 连接的 Socket,可以这样做:

# 导入socket库:
import socket

# 创建一个socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

创建 Socket 时,AF_INET 指定使用 IPv4 协议,如果要用更先进的 IPv6,就指定为 AF_INET6

SOCK_STREAM 指定使用面向流的 TCP 协议,这样,一个 Socket 对象就创建成功,但是还没有建立连接。

客户端要主动发起 TCP 连接,必须知道服务器的 IP 地址和端口号。

新浪网站的 IP 地址可以用域名 www.sina.com.cn 自动转换到 IP 地址,但是怎么知道新浪服务器的端口号呢?

答案是作为服务器,提供什么样的服务,端口号就必须固定下来

由于我们想要访问网页,因此新浪提供网页服务的服务器必须把端口号固定在 80 端口,因为 80 端口是 Web 服务的标准端口。

其他服务都有对应的标准端口号,例如 SMTP 服务是 25 端口,FTP 服务是 21 端口,等等。

端口号小于 1024 的是 Internet 标准服务的端口,端口号大于 1024 的,可以任意使用。

因此,我们连接新浪服务器的代码如下:

s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

注意参数是一个tuple(元组),包含地址和端口号。

建立 TCP 连接后,我们就可以向新浪服务器发送请求,要求返回首页的内容:

# 发送数据:
s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')

TCP连接创建的是双向通道,双方都可以同时给对方发数据。

但是谁先发谁后发,怎么协调,要根据具体的协议来决定。

例如,HTTP 协议规定客户端必须先发请求给服务器,服务器收到后才发数据给客户端

发送的文本格式必须符合 HTTP 标准,如果格式没问题,接下来就可以接收新浪服务器返回的数据了:

# 接收数据:
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字节:
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b''.join(buffer)

接收数据时,调用 recv(max) 方法,一次最多接收指定的字节数,因此,在一个 while 循环中反复接收,直到 recv() 返回空数据,表示接收完毕,退出循环。

当我们接收完数据后,调用 close() 方法关闭 Socket,这样,一次完整的网络通信就结束了:

# 关闭连接:
s.close()

接收到的数据包括 HTTP 头和网页本身,我们只需要把 HTTP 头和网页分离一下,把 HTTP 头打印出来,网页内容保存到文件:

header, html = data.split(b'\r\n\r\n', 1)
print(header.decode('utf-8'))
# 把接收的数据写入文件:
with open('sina.html', 'wb') as f:
    f.write(html)

现在,只需要在浏览器中打开这个 sina.html 文件,就可以看到新浪的首页了。

 

服务器


和客户端编程相比,服务器编程就要复杂一些。

服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了,服务器就与该客户端建立Socket连接,随后的通信就靠这个Socket连接了。

所以,服务器会打开固定端口(比如80)监听,每来一个客户端连接,就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接,所以,服务器要能够区分一个Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项:服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket。

但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求,所以,每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理,否则,服务器一次就只能服务一个客户端了。

我们来编写一个简单的服务器程序,它接收客户端连接,把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去。

首先,创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

然后,我们要绑定监听的地址和端口。服务器可能有多块网卡,可以绑定到某一块网卡的IP地址上,也可以用0.0.0.0绑定到所有的网络地址,还可以用127.0.0.1绑定到本机地址。127.0.0.1是一个特殊的IP地址,表示本机地址,如果绑定到这个地址,客户端必须同时在本机运行才能连接,也就是说,外部的计算机无法连接进来。

端口号需要预先指定。因为我们写的这个服务不是标准服务,所以用9999这个端口号。请注意,小于1024的端口号必须要有管理员权限才能绑定:

# 监听端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

紧接着,调用listen()方法开始监听端口,传入的参数指定等待连接的最大数量:

s.listen(5)
print('Waiting for connection...')

接下来,服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接,accept()会等待并返回一个客户端的连接:

while True:
    # 接受一个新连接:
    sock, addr = s.accept()
    # 创建新线程来处理TCP连接:
    t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))
    t.start()

每个连接都必须创建新线程(或进程)来处理,否则,单线程在处理连接的过程中,无法接受其他客户端的连接:

def tcplink(sock, addr):
    print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)
    sock.send(b'Welcome!')
    while True:
        data = sock.recv(1024)
        time.sleep(1)
        if not data or data.decode('utf-8') == 'exit':
            break
        sock.send((b'Hello, %s!' % data))
    sock.close()
    print('Connection from %s:%s closed.' % addr)

连接建立后,服务器首先发一条欢迎消息,然后等待客户端数据,并加上Hello再发送给客户端。如果客户端发送了exit字符串,就直接关闭连接。

要测试这个服务器程序,我们还需要编写一个客户端程序:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接:
s.connect(('127.0.0.1', 9999))
# 接收欢迎消息:
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 发送数据:
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.send(b'exit')
s.close()

我们需要打开两个命令行窗口,一个运行服务器程序,另一个运行客户端程序,就可以看到效果了:

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│Command Prompt                                    - □ x │
├────────────────────────────────────────────────────────┤
│$ python echo_server.py                                 │
│Waiting for connection...                               │
│Accept new connection from 127.0.0.1:64398...           │
│Connection from 127.0.0.1:64398 closed.                 │
│                                                        │
│       ┌────────────────────────────────────────────────┴───────┐
│       │Command Prompt                                    - □ x │
│       ├────────────────────────────────────────────────────────┤
│       │$ python echo_client.py                                 │
│       │Welcome!                                                │
│       │Hello, Michael!                                         │
└───────┤Hello, Tracy!                                           │
        │Hello, Sarah!                                           │
        │$                                                       │
        │                                                        │
        │                                                        │
        └────────────────────────────────────────────────────────┘

需要注意的是,客户端程序运行完毕就退出了,而服务器程序会永远运行下去,必须按Ctrl+C退出程序。

 

小结


用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单,对于客户端,要主动连接服务器的IP和指定端口,对于服务器,要首先监听指定端口,然后,对每一个新的连接,创建一个线程或进程来处理。通常,服务器程序会无限运行下去。

同一个端口,被一个Socket绑定了以后,就不能被别的Socket绑定了。

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