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Python之TCP Socket网络编程_python tcp socket

作者：从前慢现在也慢 | 2024-08-21 20:47:35

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python tcp socket

0 背景

Socket 是进程间通信的一种方式，它与其他进程间通信的一个主要不同是：它能实现不同主机间的进程间通信，我们网络上各种各样的服务大多都是基于 Socket 来完成通信的，例如我们每天浏览网页、QQ 聊天、收发 email 等等。要解决网络上两台主机之间的进程通信问题，首先要唯一标识该进程，在 TCP/IP 网络协议中，就是通过IP地址、协议、端口号三元组来标识进程的，解决了进程标识问题，就有了通信的基础了。

本文主要介绍使用 Python 进行 TCP Socket 网络编程，TCP 是一种面向连接的传输层协议，TCP Socket 是基于一种 Client-Server 的编程模型，服务端监听客户端的连接请求，一旦建立连接即可以进行传输数据。那么对 TCP Socket 编程的介绍也分为客户端和服务端：

1、客户端编程

1.1 创建 socket

首先要创建 socket，用 Python 中 socket 模块的函数 socket 就可以完成：

  1. #Socket client example in python
  2.  
  3. import socket   #for sockets
  4.  
  5. #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
  6. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  7.  
  8. print 'Socket Created'

函数 socket.socket 创建一个 socket，返回该 socket 的描述符，将在后面相关函数中使用。该函数带有两个参数：

  • Address Family：可以选择 AF_INET（用于 Internet 进程间通信） 或者 AF_UNIX（用于同一台机器进程间通信）
  • Type：套接字类型，可以是 SOCKET_STREAM（流式套接字，主要用于 TCP 协议）或者SOCKET_DGRAM（数据报套接字，主要用于 UDP 协议）

1.2 错误处理

如果创建 socket 函数失败，会抛出一个 socket.error 的异常，需要捕获：

  1. #handling errors in python socket programs
  2.  
  3. import socket   #for sockets
  4. import sys  #for exit
  5.  
  6. try:
  7.     #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
  8.     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  9. except socket.error, msg:
  10.     print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
  11.     sys.exit();
  12.  
  13. print 'Socket Created'

那么到目前为止已成功创建了 socket，接下来我们将用这个 socket 来连接某个服务器，就连 www.google.com 吧。

1.3 连接服务器

本文开始也提到了，socket 使用 IP地址，协议，端口号来标识一个进程，那么我们要想和服务器进行通信，就需要知道它的 IP地址以及端口号。Python 提供了一个简单的函数 socket.gethostbyname 来获得远程主机的 IP 地址：

  1. host = 'www.google.com'
  2. port = 80
  3.  
  4. try:
  5.     remote_ip = socket.gethostbyname( host )
  6.  
  7. except socket.gaierror:
  8.     #could not resolve
  9.     print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
  10.     sys.exit()
  11.      
  12. print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

现在我们知道了服务器的 IP 地址，就可以使用连接函数 connect 连接到该 IP 的某个特定的端口上了，下面例子连接到 80 端口上（是 HTTP 服务的默认端口）：

  1. #Connect to remote server
  2. s.connect((remote_ip , port))
  3.  
  4. print('Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip)

运行该程序：

  1. $ python client.py
  2. Socket created
  3. Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145
  4. Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145

1.4 发送数据

上面说明连接到 www.google.com 已经成功了，接下面我们可以向服务器发送一些数据，例如发送字符串GET / HTTP/1.1\r\n\r\n，这是一个 HTTP 请求网页内容的命令。

  1. #Send some data to remote server
  2. message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n"
  3.  
  4. try :
  5.     #Set the whole string
  6.     s.sendall(message)
  7. except socket.error:
  8.     #Send failed
  9.     print 'Send failed'
  10.     sys.exit()
  11.  
  12. print 'Message send successfully'

在python socket编程中，有两个发送TCP的函数，send()与sendall()，区别如下：

  • socket.send(string[, flags])：发送TCP数据，返回发送的字节大小。这个字节长度可能少于实际要发送的数据的长度。换句话说，这个函数执行一次，并不一定能发送完给定的数据，可能需要重复多次才能发送完成。
  • socket.sendall(string[, flags]) :发送完整的TCP数据，成功返回None，失败抛出异常

发送完数据之后，客户端还需要接受服务器的响应。

1.5 接收数据

函数 recv 可以用来接收 socket 的数据：

  1. #Now receive data
  2. reply = s.recv(4096)
  3.  
  4. print reply

一起运行的结果如下：

  1. Socket created
  2. Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145
  3. Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145
  4. Message send successfully
  5. HTTP/1.1 302 Found
  6. Cache-Control: private
  7. Content-Type: text/html; charset=UTF-8
  8. Location: http://www.google.com.sg/?gfe_rd=cr&ei=PlqJVLCREovW8gfF0oG4CQ
  9. Content-Length: 262
  10. Date: Thu, 11 Dec 2014 08:47:58 GMT
  11. Server: GFE/2.0
  12. Alternate-Protocol: 80:quic,p=0.02
  13.  
  14. <HTML><HEAD><meta http-equiv="content-type" content="text/html;charset=utf-8">
  15. <TITLE>302 Moved</TITLE></HEAD><BODY>
  16. <H1>302 Moved</H1>
  17. The document has moved
  18. <A HREF="http://www.google.com.sg/?gfe_rd=cr&ei=PlqJVLCREovW8gfF0oG4CQ">here</A>.
  19. </BODY></HTML>

1.6 关闭 socket

当我们不想再次请求服务器数据时，可以将该 socket 关闭，结束这次通信：

s.close()

1.7 小结

上面我们学到了如何：

  1. 创建 socket
  2. 连接到远程服务器
  3. 发送数据
  4. 接收数据
  5. 关闭 socket

当我们打开 www.google.com 时，浏览器所做的就是这些，知道这些是非常有意义的。在 socket 中具有这种行为特征的被称为CLIENT，客户端主要是连接远程系统获取数据。

socket 中另一种行为称为SERVER，服务器使用 socket 来接收连接以及提供数据，和客户端正好相反。所以 www.google.com 是服务器，你的浏览器是客户端，或者更准确地说，www.google.com 是 HTTP 服务器，你的浏览器是 HTTP 客户端。

那么上面介绍了客户端的编程，现在轮到服务器端如何使用 socket 了。

2、服务器端编程

服务器端主要做以下工作：

  • 打开 socket
  • 绑定到特定的地址以及端口上
  • 监听连接
  • 建立连接
  • 接收/发送数据

上面已经介绍了如何创建 socket 了，下面一步是绑定。

2.1 绑定 socket

函数 bind 可以用来将 socket 绑定到特定的地址和端口上，它需要一个 sockaddr_in 结构作为参数：

  1. import socket
  2. import sys
  3.  
  4. HOST = ''   # 表示所有可用的接口
  5. PORT = 8888 # 任意的非特权的端口（未使用的）
  6.  
  7. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  8. print 'Socket created'
  9.  
  10. try:
  11.     s.bind((HOST, PORT))
  12. except socket.error , msg:
  13.     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
  14.     sys.exit()
  15.      
  16. print 'Socket bind complete'

绑定完成之后，接下来就是监听连接了。

2.2 监听连接

函数 listen 可以将 socket 置于监听模式：

  1. s.listen(10)
  2. print 'Socket now listening'

该函数带有一个参数称为 backlog，用来控制连接的个数。如果设为 10，那么有 10 个连接正在等待处理，此时第 11 个请求过来时将会被拒绝。

2.3 接收连接

当有客户端向服务器发送连接请求时，服务器会接收连接：

  1. #wait to accept a connection - blocking call
  2. conn, addr = s.accept()
  3.  
  4. #display client information
  5. print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

运行该程序的，输出结果如下：

  1. $ python server.py
  2. Socket created
  3. Socket bind complete
  4. Socket now listening

此时，该程序在 8888 端口上等待请求的到来。不要关掉这个程序，让它一直运行，现在客户端可以通过该端口连接到 socket。我们用 telnet 客户端来测试，打开一个终端，输入 telnet localhost 8888：

  1. $ telnet localhost 8888
  2. Trying 127.0.0.1...
  3. Connected to localhost.
  4. Escape character is '^]'.
  5. Connection closed by foreign host.

这时服务端输出会显示：

  1. $ python server.py
  2. Socket created
  3. Socket bind complete
  4. Socket now listening
  5. Connected with 127.0.0.1:59954

我们观察到客户端已经连接上服务器了。在建立连接之后，我们可以用来与客户端进行通信。下面例子演示的是，服务器建立连接之后，接收客户端发送来的数据，并立即将数据发送回去，下面是完整的服务端程序：

  1. import socket
  2. import sys
  3.  
  4. HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
  5. PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
  6.  
  7. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  8. print 'Socket created'
  9.  
  10. try:
  11.     s.bind((HOST, PORT))
  12. except socket.error , msg:
  13.     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
  14.     sys.exit()
  15.      
  16. print 'Socket bind complete'
  17.  
  18. s.listen(10)
  19. print 'Socket now listening'
  20.  
  21. #wait to accept a connection - blocking call
  22. conn, addr = s.accept()
  23.  
  24. print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
  25.  
  26. #now keep talking with the client
  27. data = conn.recv(1024)
  28. conn.sendall(data)
  29.  
  30. conn.close()
  31. s.close()

在一个终端中运行这个程序，打开另一个终端，使用 telnet 连接服务器，随便输入字符串，你会看到：

  1. $ telnet localhost 8888
  2. Trying 127.0.0.1...
  3. Connected to localhost.
  4. Escape character is '^]'.
  5. happy
  6. happy
  7. Connection closed by foreign host.

客户端（telnet）接收了服务器的响应。

我们在完成一次响应之后服务器立即断开了连接，而像 www.google.com 这样的服务器总是一直等待接收连接的。我们需要将上面的服务器程序改造成一直运行，最简单的办法是将 accept 放到一个循环中，那么就可以一直接收连接了。

2.4 保持服务

我们可以将代码改成这样让服务器一直工作：

  1. import socket
  2. import sys
  3.  
  4. HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
  5. PORT = 5000 # Arbitrary non-privileged port
  6.  
  7. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  8. print 'Socket created'
  9.  
  10. try:
  11.     s.bind((HOST, PORT))
  12. except socket.error , msg:
  13.     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
  14.     sys.exit()
  15.      
  16. print 'Socket bind complete'
  17.  
  18. s.listen(10)
  19. print 'Socket now listening'
  20.  
  21. #now keep talking with the client
  22. while 1:
  23.     #wait to accept a connection - blocking call
  24.     conn, addr = s.accept()
  25.     print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
  26.      
  27.     data = conn.recv(1024)
  28.     reply = 'OK...' + data
  29.     if not data: 
  30.         break
  31.      
  32.     conn.sendall(reply)
  33.  
  34. conn.close()
  35. s.close()

现在在一个终端下运行上面的服务器程序，再开启三个终端，分别用 telnet 去连接，如果一个终端连接之后不输入数据其他终端是没办法进行连接的，而且每个终端只能服务一次就断开连接。这从代码上也是可以看出来的。

这显然也不是我们想要的，我们希望多个客户端可以随时建立连接，而且每个客户端可以跟服务器进行多次通信，这该怎么修改呢？

2.5 处理连接

为了处理每个连接，我们需要将处理的程序与主程序的接收连接分开。一种方法可以使用线程来实现，主服务程序接收连接，创建一个线程来处理该连接的通信，然后服务器回到接收其他连接的逻辑上来。

  1. import socket
  2. import sys
  3. from thread import *
  4.  
  5. HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
  6. PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
  7.  
  8. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  9. print 'Socket created'
  10.  
  11. #Bind socket to local host and port
  12. try:
  13.     s.bind((HOST, PORT))
  14. except socket.error , msg:
  15.     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
  16.     sys.exit()
  17.      
  18. print 'Socket bind complete'
  19.  
  20. #Start listening on socket
  21. s.listen(10)
  22. print 'Socket now listening'
  23.  
  24. #Function for handling connections. This will be used to create threads
  25. def clientthread(conn):
  26.     #Sending message to connected client
  27.     conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string
  28.      
  29.     #infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.
  30.     while True:
  31.          
  32.         #Receiving from client
  33.         data = conn.recv(1024)
  34.         reply = 'OK...' + data
  35.         if not data: 
  36.             break
  37.      
  38.         conn.sendall(reply)
  39.      
  40.     #came out of loop
  41.     conn.close()
  42.  
  43. #now keep talking with the client
  44. while 1:
  45.     #wait to accept a connection - blocking call
  46.     conn, addr = s.accept()
  47.     print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
  48.      
  49.     #start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.
  50.     start_new_thread(clientthread ,(conn,))
  51.  
  52. s.close()

再次运行上面的程序，打开三个终端来与主服务器建立 telnet 连接，这时候三个客户端可以随时接入，而且每个客户端可以与主服务器进行多次通信。

telnet 终端下可能输出如下：

  1. $ telnet localhost 8888
  2. Trying 127.0.0.1...
  3. Connected to localhost.
  4. Escape character is '^]'.
  5. Welcome to the server. Type something and hit enter
  6. hi
  7. OK...hi
  8. asd
  9. OK...asd
  10. cv
  11. OK...cv

要结束 telnet 的连接，按下 Ctrl-] 键，再输入 close 命令。

服务器终端的输出可能是这样的：

  1. $ python server.py
  2. Socket created
  3. Socket bind complete
  4. Socket now listening
  5. Connected with 127.0.0.1:60730
  6. Connected with 127.0.0.1:60731

 

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