Python网络编程基础

原文转自Python教程

TCP/IP简介

虽然大家现在对互联网很熟悉,但是计算机网络的出现比互联网要早很多。

计算机为了联网,就必须规定通信协议,早期的计算机网络,都是由各厂商自己规定一套协议,IBM、Apple和Microsoft都有各自的网络协议,互不兼容,这就好比一群人有的说英语,有的说中文,有的说德语,说同一种语言的人可以交流,不同的语言之间就不行了。 为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来,就必须规定一套全球通用的协议,为了实现互联网这个目标,互联网协议簇(Internet Protocol Suite)就是通用协议标准。Internet是由inter和net两个单词组合起来的,原意就是连接”网络”的网络,有了Internet,任何私有网络,只要支持这个协议,就可以联入互联网。

因为互联网协议包含了上百种协议标准,但是最重要的两个协议是TCP和IP协议,所以,大家把互联网的协议简称TCP/IP协议。

通信的时候,双方必须知道对方的标识,好比发邮件必须知道对方的邮件地址。互联网上每个计算机的唯一标识就是IP地址,类似123.123.123.123。如果一台计算机同时接入到两个或更多的网络,比如路由器,它就会有两个或多个IP地址,所以,IP地址对应的实际上是计算机的网络接口,通常是网卡。

IP协议负责把数据从一台计算机通过网络发送到另一台计算机。数据被分割成一小块一小块,然后通过IP包发送出去。由于互联网链路复杂,两台计算机之间经常有多条线路,因此,路由器就负责决定如何把一个IP包转发出去。IP包的特点是按块发送,途径多个路由,但不保证能到达,也不保证顺序到达。

IP地址实际上是一个32位整数(称为IPv4),以字符串表示的IP地址如192.168.0.1实际上是把32位整数按8位分组后的数字表示,目的是便于阅读。 IPv6地址实际上是一个128位整数,它是目前使用的IPv4的升级版,以字符串表示类似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334。 TCP协议则是建立在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接,保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过握手建立连接,然后,对每个IP包编号,确保对方按顺序收到,如果包丢掉了,就自动重发。

许多常用的更高级的协议都是建立在TCP协议基础上的,比如用于浏览器的HTTP协议、发送邮件的SMTP协议等。

一个IP包除了包含要传输的数据外,还包含源IP地址和目标IP地址,源端口和目标端口。

端口有什么作用?在两台计算机通信时,只发IP地址是不够的,因为同一台计算机上跑着多个网络程序。一个IP包来了之后,到底是交给浏览器还是QQ,就需要端口号来区分。每个网络程序都向操作系统申请唯一的端口号,这样,两个进程在两台计算机之间建立网络连接就需要各自的IP地址和各自的端口号。

一个进程也可能同时与多个计算机建立链接,因此它会申请很多端口。

了解了TCP/IP协议的基本概念,IP地址和端口的概念,我们就可以开始进行网络编程了。

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:

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# 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_INET6SOCK_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:

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

注意参数是一个tuple,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:

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# 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:

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# 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:

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# 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:

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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:

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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:

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# 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:

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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:

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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:

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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(('Hello, %s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8'))
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:

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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:

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。

源码:

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#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

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))

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

# 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)

# 关闭连接:
s.close()

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)

UDP编程

TCP是建立可靠连接,并且通信双方都可以以流的形式发送数据。相对TCP,UDP则是面向无连接的协议。

使用UDP协议时,不需要建立连接,只需要知道对方的IP地址和端口号,就可以直接发数据包。但是,能不能到达就不知道了。

虽然用UDP传输数据不可靠,但它的优点是和TCP比,速度快,对于不要求可靠到达的数据,就可以使用UDP协议。

我们来看看如何通过UDP协议传输数据。和TCP类似,使用UDP的通信双方也分为客户端和服务器。服务器首先需要绑定端口:

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s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

创建Socket时,SOCK_DGRAM指定了这个Socket的类型是UDP。绑定端口和TCP一样,但是不需要调用listen()方法,而是直接接收来自任何客户端的数据:

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print('Bind UDP on 9999...')
while True:
# 接收数据:
data, addr = s.recvfrom(1024)
print('Received from %s:%s.' % addr)
s.sendto(b'Hello, %s!' % data, addr)

recvfrom()方法返回数据和客户端的地址与端口,这样,服务器收到数据后,直接调用sendto()就可以把数据用UDP发给客户端。

注意这里省掉了多线程,因为这个例子很简单。

客户端使用UDP时,首先仍然创建基于UDP的Socket,然后,不需要调用connect(),直接通过sendto()给服务器发数据:

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s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
# 发送数据:
s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
# 接收数据:
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.close()

从服务器接收数据仍然调用recv()方法。 仍然用两个命令行分别启动服务器和客户端测试,结果如下:

小结

UDP的使用与TCP类似,但是不需要建立连接。此外,服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突,也就是说,UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。

sever.py

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#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import socket

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

# 绑定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

print('Bind UDP on 9999...')

while True:
# 接收数据:
data, addr = s.recvfrom(1024)
print('Received from %s:%s.' % addr)
reply = 'Hello, %s!' % data.decode('utf-8')
s.sendto(reply.encode('utf-8'), addr)

client.py

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#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import socket

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

for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
# 发送数据:
s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
# 接收数据:
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))

s.close()
文章作者: 李牧羊
文章链接: https://www.limuyang.cc/2016/07/25/Python网络编程基础/
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