Python网络编程入门

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

自从互联网诞生以来，现在基本上所有的程序都是网络程序，很少有单机版的程序了。计算机网络就是把各个计算机连接到一起，让网络中的计算机可以互相通信。用 Python 进行网络编程，就是在 Python 程序本身这个进程内，连接别的服务器进程的通信端口进行通信。

• socket - create an endpoint for communication

1. TCP/IP 协议

要编写一个计算机之间的网络通讯的程序，首先需要确定双方通信所使用的协议，之后才能够使用这种约定的协议进行数据的传输。

• TCP/IP 协议体系结构模型
• OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型
• 传输控制协议 TCP 详解

TCP/IP 协议的作用

• TCP/IP是用于因特网(Internet)的通信协议。它是对计算机必须遵守的规则的描述，只有遵守这些规则，计算机之间才能进行通信。

TCP/IP 协议的分类

• IP - 网际协议
• TCP - 传输控制协议
• UDP - 用户数据报协议

网络编程重要的模块

TCP 和 UDP 的区别

• TCP提供IP环境下的数据可靠传输，它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。
• 通俗说，它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道，然后再进行数据发送。而UDP则不为 IP 提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说，TCP 对应的是可靠性要求高的应用，而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。

IPv4 地址的分类

• 公有地址
  • A 类地址：1-127
  • B 类地址：128-191
  • C 类地址：192-223
  • D 类地址：224-239 组播
  • E 类地址：240-254
• 私有地址
  • A 类地址：10.0.0.0/8
  • B 类地址：172.16.0.0/16 - 172.31.0.0/16
  • C 类地址：192.168.0.0/24 - 192.168.255.0/24

TCP 的三次握手

TCP 的四次挥手

2. 套接字

Socket是进程间通信(IPC)的一种实现，允许位于不同主机甚至同一主机上不同进程之间进行通信。socket本质上是对TCP/IP的封装，包含进行网络通信必需的五种信息：连接使用的协议，本地主机的 IP 地址，本地进程的协议端口，对方主机的 IP 地址，对方进程的协议端口。

• 套接字可以简单理解为：套接字 = IP 地址 + 端口号
• 进程间通信的实现不只有socket，还有信号量、共享内存、消息队列等方式

套接字的分类 - 根据传输使用的协议类型

• 流式套接字(SOCK_STREAM)
  • TCP通信协议，流式传输
  • 建立虚链路、双向通信、可靠地传递、面向连接、无边界
• 数据报套接字(SOCK_DGRAM)
  • UDP通信协议，数据报传输
  • 不可靠地传递、有边界、无连接
• 裸套接字(SOCK_RAW)
  • 不使用传输层协议，直接和底层进行数据传输，如IP
  • 在编程工作中，基本不会涉及，后续的三种套接字自行了解

套接字的分类 - 根据套接字地址家族(Address Family)

• IPv4 协议簇(AF_INET)
  • 不同主机之间进行通信时使用
• IPv6 协议簇(AF_INET6)
  • 不同主机之间进行通信时使用
• UNIX 协议簇(AF_UNIX)
  • 同一主机上不同进程之间通信时使用
  • 不需要将数据向下传递，不占用TCP/UDP协议栈，提升传输效率

套接字的端口号

• TCP 的端口号
  • 0-65535
  • 传输控制协议，面向连接的协议
  • 通信前需要建立虚拟链路，结束后拆除链路
• UDP 的端口号
  • 0-65535
  • 用户数据报协议，无连接的协议

3. 函数模块

Socket又称套接字，应用程序通常通过套接字网络发出请求或者应答网络请求，使主机间或者一台计算机上的进程间可以通讯。这里，我们将介绍Socket套接字函数的使用方法。

创建套接字的语法

• 在Python中，网络编程主要用的是socket模块

# socket_family: 主要包含AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX
# socket_type: 主要包含SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW
# protocol: 用于指定创建套接字的协议，通常默认省略值为0

socket(socket_family, socket_type, protocol=0)

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

Socket 模块的方法

• 服务器端套接字

• 客户端套接字

• 公共用途的套接字函数

4. TCP 编程

TCP协议是面向连接的，会事先建立好连接，所以不需要指定地址

• 服务端示例代码

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8001

# 创建、绑定和监听套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))
s.listen(5)

print(f'Server start at: {HOST}:{PORT}')
while True:
    # 接收客户端的连接
    conn, addr = s.accept()
    print(f'Connected by {addr}.')

    # 通信循环
    # 因为一次发送的内容可能很大，所以需要多次接收
    while True:
        data = conn.recv(1024)
        print(f'[Receive client]: {data}')
        # 服务端给客户端发送数据
        # 使用send方法发送byte类型的数据，所有utf8格式需要手动转换一下
        conn.send(bytes(f'Server received {data}.', 'utf-8'))
    # 关闭客户端套接字
    conn.close()
# 关闭服务端套接字
s.close()

$ python server.py
Server start at: 127.0.0.1:8001
Connected by ('127.0.0.1', 64138).
[Receive client]: b'hello'
[Receive client]: b'my name is escape.'
[Receive client]: b''
[Receive client]: b''
Traceback (most recent call last):
  File "server.py", line 24, in <module>
    conn.send(bytes(f'Server received {data}.', 'utf-8'))
BrokenPipeError: [Errno 32] Broken pipe

• 客户端示例代码

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8001

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))

while True:
    msg = input('Please input message: ')
    s.send(bytes(msg, 'utf-8'))
    data = s.recv(1024)
    print(f'[Received Server]: {data}')

$ python client.py
Please input message: hello
[Received Server]: b"Server received b'hello'."
Please input message: my name is escape.
[Received Server]: b"Server received b'my name is escape.'."
Please input message: ^CTraceback (most recent call last):
  File "client.py", line 10, in <module>
    msg = input('Please input message: ')
KeyboardInterrupt

5. UDP 编程

而UDP是面向无连接的，所以每次发送都需要指定发送给谁

• 服务端示例代码

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8001

# 创建和绑定套接字，不需要监听连接
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind((HOST, PORT))

print(f'Server start at: {HOST}:{PORT}')
while True:
    # 不需要接收连接，直接接收数据
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print(f'Connected by {addr}.')
    print(f'[Receive client]: {data}')
    # 服务端给客户端发送数据
    s.sendto(bytes(f'{data}', 'utf-8'), addr)
# 关闭服务器套接字
s.close()

$ python runsocket.py
Server start at: 127.0.0.1:8001
Connected by ('127.0.0.1', 54007).
[Receive client]: b'test'
Connected by ('127.0.0.1', 54007).
[Receive client]: b'exit'
^CTraceback (most recent call last):
  File "server.py", line 13, in <module>
    data, addr = s.recvfrom(1024)
KeyboardInterrupt

• 客户端示例代码

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8001

# 不需要使用connect方法连接到服务器
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

while True:
    msg = input('Please input message: ')
    s.sendto(bytes(msg, 'utf-8'), (HOST, PORT))
    data = s.recvfrom(1024)
    print(f'[Received Server]: {data}')

$ python runsocket.py
Please input message: test
[Received Server]: (b"b'test'", ('127.0.0.1', 8001))
Please input message: exit
[Received Server]: (b"b'exit'", ('127.0.0.1', 8001))
Please input message: ^CTraceback (most recent call last):
  File "client.py", line 10, in <module>
    msg = input('Please input message: ')
KeyboardInterrupt