Python網絡編程（1）-socket

　　　我會在近期儘快更新好以前寫的博客，會添加新的知識點和注意問題，排版和內容都會較以前有很大的改觀，感謝你們一直的支持！

一、 客戶端/服務器架構

　　客戶端/服務器架構也稱主從式架構，簡稱C/S架構，它是一種網絡結構，把客戶端（Client）(一般是一個採用圖形界面的程序)與服務器（server）區分開來，在C/S架構中，服務器是一系列的硬件或軟件，客戶端是提交服務請求的用戶，客戶端提供用戶請求接口，服務端響應請求進行對應的處理，並返回給客戶端。客戶端/服務器架構既能夠應用於計算機硬件，也能夠應用於軟件。

1.一、 硬件客戶端/服務器架構

　　典型的硬件客戶端/服務器架構就是打印機，在企業中，員工經過局域網將我的電腦鏈接到打印機上，做爲客戶端向打印機發送打印請求，打印機做爲服務端完成響應處理相應的請求。

1.二、 軟件客戶端/服務器架構

　　軟件服務器也是運行在硬件之上的，典型的軟件服務器是Web服務器。在一臺或多臺電腦上搭建Web服務器，以提供用戶訪問所需的Web頁面和應用程序，Web服務器一旦啓動，都將可能永遠運行，除非受到一些外力驅使纔會中止，如人爲關閉，服務器硬件故障等。它的工做就是接收客戶端的請求，並響應請求給客戶端返回相應的Web頁面，而後等待下一個客戶端的請求。

二、 套接字

　　套接字是網絡編程中的一個基本組件，若是想要服務器可以響應客戶端發來的請求，首先要創建一個通訊端點，使服務器可以監聽服務，當通訊端點創建後，就會進入無限循環的等待請求狀態，當接收到客戶端的請求，就會響應該請求。

　　套接字就是兩個程序之間的信息通道，能夠理解爲上面提到的「通訊端點」的概念。在通訊開始以前，網絡應用程序必須建立套接字。套接字是網絡通訊過程當中端點的抽象表示，包含進行網絡通訊必須的五種信息:鏈接使用的協議，本地主機的IP地址，本地進程的協議端口號，遠程主機的IP地址，遠程進程的協議端口號。

　　套接字起源於 20 世紀 70 年代，它是加利福尼亞大學伯克利分校版本的 Unix的一部分,即人們所說的 BSD Unix。 所以,套接字也被人們稱爲「伯克利套接字」或「BSD 套接字」。套接字最初被設計用於同一臺主機上多個應用程序之間的通信，這也就是所謂的進程間通信（IPC）。

　　TCP用主機的IP地址加上主機的端口號做爲TCP鏈接的端點，這種端點就叫作套接字（socket）或插口。套接字用（IP地址：端口號）表示。

　　套接字有兩種類型,分別是基於文件的和基於網絡的。

　　基於文件的套接字家族名字叫作「AF_UNIX」,表明地址家族（address family）：UNIX。在Unix和linux操做系統中，熟爲人知的一句話就是：一切皆文件，一個或多個進程運行在同一臺機器上，因此套接字是基於文件的，它就能夠經過訪問底層的基礎結構來實現進程之間的通訊

　　基於網絡的套接字家族名字叫作「AF_INET」，表明地址家族（address family）：INET(因特網)。它使用IPv4進行通訊，由於IPv4使用32位地址，相比於IPv6的128位來講，計算更快，更適合於局域網的通訊。目前它也是使用最普遍的。

　　在本文中，重點講網絡編程，因此在後面的涉及最多的仍是AF_INET。

2.一、 流式套接字（SOCK_STREAM）

　　不論使用哪一種地址家族，都只有兩種套接字的鏈接方式，一種是面向鏈接的，一種是無鏈接的。

　　面向鏈接的套接字鏈接方式，意味着在進程通訊以前必須先創建好一個鏈接，這種套接字就稱爲流式套接字。

　　流式套接字用於提供面向鏈接、可靠的數據傳輸服務。該服務將保證數據可以實現無差錯、無重複發送，並按順序接收。流式套接字之因此可以實現可靠的數據服務，緣由在於其使用了傳輸控制協議，即TCP（The Transmission Control Protocol）協議。在Python中，建立TCP套接字，就必須聲明SOCK_STREAM做爲套接字類型。

2.二、 數據報套接字（SOCK_DGRAM）

　　數據報套接字提供了一種無鏈接的服務。這也意味着，使用這種鏈接方式不須要在進程通訊前創建鏈接。在數據的傳輸過程當中，SOCK_DGRAM並不能保證數據傳輸的可靠性，數據有可能在傳輸過程當中丟失或出現數據重複，且沒法保證順序地接收到數據。數據報套接字使用UDP（User Datagram Protocol）協議進行數據的傳輸。因爲數據報套接字不能保證數據傳輸的可靠性，對於有可能出現的數據丟失狀況，須要在程序中作相應的處理。

　　雖然存在數據丟失、重複、數據無序接受等不少缺點，但它也有優點所在，在流式套接字中，由於是面向鏈接並提供了可靠的數據傳輸服務，這對於虛擬電路鏈接的維護須要很大的開銷，但數據報套接字就不須要這些額外的開銷，因此維護、資源佔用成本更低。

三、 網絡編程

　　Python是一個很強大的網絡編程工具，Python內有不少針對網絡協議的庫，這些庫對網絡協議的各個層次進行抽象封裝，這對於程序員來講就意味着：沒必要關心網絡協議的原理，只須要經過對程序的邏輯處理，就能夠實現網絡數據的傳輸。

3.一、 建立套接字

　　在Python中，建立套接字須要使用socket模塊，經過socket()函數建立套接字對象。

1 class socket(_socket.socket):
2         -- skip --
3         def __init__(self, family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None):
4             -- skip --

　　從socket函數的的構造方法中能夠看出，能夠指定地址家族和套接字的鏈接方式，proto默認是0，一般都省略。即建立套接字對象的時候：

　　import socket

　　#建立TCP/IP套接字，地址家族AF_INET

　　tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCKET_STREAM)

　　#建立UDP/IP套接字，地址家族AF_INET

　　udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCKET_DGRAM)

3.二、 套接字的內置方法

　　常見的套接字內置函數

方法	功能
st.recv()	接受TCP的消息
st.recv_into()	接受TCP的消息到指定的緩存區
st.send()	發送TCP的消息(當待發送的消息量大於緩存區剩餘內存時，數據會丟失)
st.sendall()	完整的發送TCP消息（當待發送的消息量大於緩存區剩餘內存時，數據不會丟失，循環調用send 直到發完爲止）
st.recvfrom()	接收UDP的消息
st.recvfrom_into()	接收UDP的消息到指定的緩存區
st.sendto()	發送UDP的消息
st.getpeername()	鏈接到套接字的遠程地址（TCP）
st.getsockname()	獲取當前套接字的地址
st.getsockopt()	獲取指定套接字的參數
st.setsockopt()	設置指定套接字的參數
st.close()	關閉套接字
st.shutdown()	關閉鏈接

　　服務端套接字方法

方法	功能
st.bind()	將IP地址+端口號綁定到套接字上
st.listen()	開啓TCP監聽功能
st.accept()	被動的接受TCP客戶端的鏈接，（阻塞式）一直等待鏈接直到鏈接到達

　　客戶端套接字方法

方法	功能
st.connect()	主動發起TCP服務器鏈接
st.connect_ex()	connect()的擴展版本，以錯誤代碼的形式返回問題，而不是拋出異常

      面向阻塞的套接字方法

方法	功能
st.setblocking()	設置套接字爲阻塞模式或非阻塞模式
st.settimeout()	設置阻塞套接字的操做超時時間
st.gettimoout()	獲取阻塞套接字的操做超時時間

    面向文件的套接字方法

方法	功能
st.fileno()	套接字的文件描述符
st.makefile()	建立與套接字相關聯的文件對象

    數據屬性

屬性	功能
st.family	套接字家族
st.type	套接字類型
st.proto	套接字協議

3.三、 Tcp服務器和客戶端的通訊

　　上面提到過，套接字對象都是經過socket.socket()函數來建立的，下面模擬一個TCP服務器和客戶端，來實現進程間的通訊。

　　Tcp服務端:

 1 import socket
 2 tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //建立服務器套接字
 3 tcp_server.bind(("127.0.0.1",8000))                           //將套接字與地址綁定
 4 tcp_server.listen(5)                                          //創建監聽鏈接
 5 print("The server has started")
 6 while True:
 7     conn,addr= tcp_server.accept()                           //接受客戶端的鏈接
 8     while True:
 9         try:
10             data = conn.recv(1024)                          //會話的接收（或發送）
11             print("msg is",data.decode("utf-8"))           //要將收到的會話數據進行解碼
12             conn.send(data.title())                      //會話的發送（或接受）
13         except Exception:
14             break
15     conn.close()                                         //關閉鏈接
16 tcp_server.close()                                      //關閉服務器套接字

 　　在Tcp服務端，先建立服務器套接字並指定類型爲流式套接字（SOCK_STREAM）。由於服務器須要佔用一個端口並等待客戶端的請求，因此它們必須綁定到一個本地地址。Tcp是一種面向鏈接的通訊方式，因此必須創建監聽鏈接，listen(5)的意義是容許傳入鏈接的最大數爲5個。當調用accept()函數後，服務端就會進入一個等待狀態，默認狀況下，accept()處於阻塞狀態，也就意味着，執行到此處，程序會暫停，直到有新的鏈接到達，纔會進行下一步的收發操做。

　　Tcp客戶端：

 1 import socket
 2 tcp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //建立客戶端套接字
 3 tcp_client.connect(("127.0.0.1",8000))                        //鏈接服務器
 4 while True:
 5     msg = input("Please input your message:").strip()
 6     if not msg:continue
 7     tcp_client.send(msg.encode("utf-8"))                      //會話接收（或發送）
 8     data = tcp_client.recv(1024)
 9     print("reply is",data.decode("utf-8"))
10 tcp_client.close()                                            //關閉客戶端套接字

　　建立客戶端比服務端要簡單不少，客戶端一旦擁有了套接字，就能夠利用套接字的connect()方法直接建立一個服務器的鏈接，創建好鏈接，就能夠參與到服務端的會話中，當客戶端的需求所有完成，就會關閉套接字，終止這次鏈接。

3.四、 Udp服務端和客戶端的通訊

　　Udp服務器不須要Tcp服務器那麼多的配置，由於它不是面向鏈接的，除了等待傳入的鏈接，它基本不須要其餘的操做。

　　Udp服務端：

 1 import socket
 2 ip_port = ("127.0.0.1",8000)
 3 udp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) //建立服務端套接字
 4 udp_server.bind(ip_port)                                    //綁定本地地址
 5 print("the server has started")
 6 while True:
 7     data,addr = udp_server.recvfrom(1024)                 //關閉接收（或發送）
 8     print(data)
 9     udp_server.sendto(data.title(),addr)                //關閉發送（或接受）
10     從上面代碼中能夠看出，除了建立套接字並綁定本地地址後，基本

　　沒有其它的操做，它是無鏈接的，這也就意味着，它無需爲了成功通訊而使一個客戶端鏈接到一個「特定」的套接字進行轉換操做，服務器端僅僅是接收數據並進行回覆。

       Udp客戶端：

1 import socket
2 ip_port = ("127.0.0.1",8000)
3 udp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)  //建立服務端套接字
4 while True:
5     msg = input(">>>").strip()
6     udp_client.sendto(msg.encode("utf-8"),ip_port)           //發送
7     data,addr = udp_client.recvfrom(1024)                   //接收
8     print(data)
9 udp_client.close()                                        //關閉套接字

    Udp客戶端，一旦建立了套接字，就能夠進行會話循環中，當會話結束，關閉套接字。

    在使用Udp進行通訊的時候，服務端能夠同時接收多個客戶端的會話請求並返回請求結果。