Python网络编程（1）-socket

　　　我会在近期尽快更新好之前写的博客，会添加新的知识点和注意问题，排版和内容都会较之前有很大的改观，感谢大家一直的支持！

1、 客户端/服务器架构

　　客户端/服务器架构也称主从式架构，简称C/S架构，它是一种网络结构，把客户端（Client）(通常是一个采用图形界面的程序)与服务器（server）区分开来，在C/S架构中，服务器是一系列的硬件或软件，客户端是提交服务请求的用户，客户端提供用户请求接口，服务端响应请求进行对应的处理，并返回给客户端。客户端/服务器架构既可以应用于计算机硬件，也可以应用于软件。

1.1、 硬件客户端/服务器架构

　　典型的硬件客户端/服务器架构就是打印机，在企业中，员工通过局域网将个人电脑连接到打印机上，作为客户端向打印机发送打印请求，打印机作为服务端完成响应处理相应的请求。

1.2、 软件客户端/服务器架构

　　软件服务器也是运行在硬件之上的，典型的软件服务器是Web服务器。在一台或多台电脑上搭建Web服务器，以提供用户访问所需的Web页面和应用程序，Web服务器一旦启动，都将可能永远运行，除非受到一些外力驱使才会停止，如人为关闭，服务器硬件故障等。它的工作就是接收客户端的请求，并响应请求给客户端返回相应的Web页面，然后等待下一个客户端的请求。

2、 套接字

　　套接字是网络编程中的一个基本组件，如果想要服务器能够响应客户端发来的请求，首先要建立一个通信端点，使服务器能够监听服务，当通信端点建立后，就会进入无限循环的等待请求状态，当接收到客户端的请求，就会响应该请求。

　　套接字就是两个程序之间的信息通道，可以理解为上面提到的“通信端点”的概念。在通信开始之前，网络应用程序必须创建套接字。套接字是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息:连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口号，远程主机的IP地址，远程进程的协议端口号。

　　套接字起源于 20 世纪 70 年代，它是加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix的一部分,即人们所说的 BSD Unix。 因此,套接字也被人们称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。套接字最初被设计用于同一台主机上多个应用程序之间的通讯，这也就是所谓的进程间通讯（IPC）。

　　TCP用主机的IP地址加上主机的端口号作为TCP连接的端点，这种端点就叫做套接字（socket）或插口。套接字用（IP地址：端口号）表示。

　　套接字有两种类型,分别是基于文件的和基于网络的。

　　基于文件的套接字家族名字叫做“AF_UNIX”,代表地址家族（address family）：UNIX。在Unix和linux操作系统中，熟为人知的一句话就是：一切皆文件，一个或多个进程运行在同一台机器上，所以套接字是基于文件的，它就可以通过访问底层的基础结构来实现进程之间的通信

　　基于网络的套接字家族名字叫做“AF_INET”，代表地址家族（address family）：INET(因特网)。它使用IPv4进行通信，因为IPv4使用32位地址，相比于IPv6的128位来说，计算更快，更适合于局域网的通信。目前它也是使用最广泛的。

　　在本文中，重点讲网络编程，所以在后面的涉及最多的还是AF_INET。

2.1、 流式套接字（SOCK_STREAM）

　　不论使用哪种地址家族，都只有两种套接字的连接方式，一种是面向连接的，一种是无连接的。

　　面向连接的套接字连接方式，意味着在进程通信之前必须先建立好一个连接，这种套接字就称为流式套接字。

　　流式套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字之所以能够实现可靠的数据服务，原因在于其使用了传输控制协议，即TCP（The Transmission Control Protocol）协议。在Python中，创建TCP套接字，就必须声明SOCK_STREAM作为套接字类型。

2.2、 数据报套接字（SOCK_DGRAM）

　　数据报套接字提供了一种无连接的服务。这也意味着，使用这种连接方式不需要在进程通信前建立连接。在数据的传输过程中，SOCK_DGRAM并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP（User Datagram Protocol）协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。

　　虽然存在数据丢失、重复、数据无序接受等很多缺点，但它也有优势所在，在流式套接字中，因为是面向连接并提供了可靠的数据传输服务，这对于虚拟电路连接的维护需要很大的开销，但数据报套接字就不需要这些额外的开销，所以维护、资源占用成本更低。

3、 网络编程

　　Python是一个很强大的网络编程工具，Python内有很多针对网络协议的库，这些库对网络协议的各个层次进行抽象封装，这对于程序员来说就意味着：不必关心网络协议的原理，只需要通过对程序的逻辑处理，就可以实现网络数据的传输。

3.1、 创建套接字

　　在Python中，创建套接字需要使用socket模块，通过socket()函数创建套接字对象。

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

　　从socket函数的的构造方法中可以看出，可以指定地址家族和套接字的连接方式，proto默认是0，通常都省略。即创建套接字对象的时候：

　　import socket

　　#创建TCP/IP套接字，地址家族AF_INET

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

　　#创建UDP/IP套接字，地址家族AF_INET

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

3.2、 套接字的内置方法

　　常见的套接字内置函数

方法	功能
st.recv()	接受TCP的消息
st.recv_into()	接受TCP的消息到指定的缓存区
st.send()	发送TCP的消息(当待发送的消息量大于缓存区剩余内存时，数据会丢失)
st.sendall()	完整的发送TCP消息（当待发送的消息量大于缓存区剩余内存时，数据不会丢失，循环调用send 直到发完为止）
st.recvfrom()	接收UDP的消息
st.recvfrom_into()	接收UDP的消息到指定的缓存区
st.sendto()	发送UDP的消息
st.getpeername()	连接到套接字的远程地址（TCP）
st.getsockname()	获取当前套接字的地址
st.getsockopt()	获取指定套接字的参数
st.setsockopt()	设置指定套接字的参数
st.close()	关闭套接字
st.shutdown()	关闭连接

　　服务端套接字方法

方法	功能
st.bind()	将IP地址+端口号绑定到套接字上
st.listen()	开启TCP监听功能
st.accept()	被动的接受TCP客户端的连接，（阻塞式）一直等待连接直到连接到达

　　客户端套接字方法

方法	功能
st.connect()	主动发起TCP服务器连接
st.connect_ex()	connect()的扩展版本，以错误代码的形式返回问题，而不是抛出异常

面向阻塞的套接字方法

方法	功能
st.setblocking()	设置套接字为阻塞模式或非阻塞模式
st.settimeout()	设置阻塞套接字的操作超时时间
st.gettimoout()	获取阻塞套接字的操作超时时间

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()	创建与套接字相关联的文件对象

数据属性

属性	功能
st.family	套接字家族
st.type	套接字类型
st.proto	套接字协议

3.3、 Tcp服务器和客户端的通信

　　上面提到过，套接字对象都是通过socket.socket()函数来创建的，下面模拟一个TCP服务器和客户端，来实现进程间的通信。

　　Tcp服务端:

 import socket
 tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //创建服务器套接字
 tcp_server.bind(("127.0.0.1",8000))                           //将套接字与地址绑定
 tcp_server.listen(5)                                          //建立监听连接
 print("The server has started")
 while True:
     conn,addr= tcp_server.accept()                           //接受客户端的连接
     while True:
         try:
             data = conn.recv(1024)                          //会话的接收（或发送）
             print("msg is",data.decode("utf-8"))           //要将收到的会话数据进行解码
             conn.send(data.title())                      //会话的发送（或接受）
         except Exception:
             break
     conn.close()                                         //关闭连接
 tcp_server.close()                                      //关闭服务器套接字

　　在Tcp服务端，先创建服务器套接字并指定类型为流式套接字（SOCK_STREAM）。因为服务器需要占用一个端口并等待客户端的请求，所以它们必须绑定到一个本地地址。Tcp是一种面向连接的通信方式，所以必须建立监听连接，listen(5)的意义是允许传入连接的最大数为5个。当调用accept()函数后，服务端就会进入一个等待状态，默认情况下，accept()处于阻塞状态，也就意味着，执行到此处，程序会暂停，直到有新的连接到达，才会进行下一步的收发操作。

　　Tcp客户端：

 import socket
 tcp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //创建客户端套接字
 tcp_client.connect(("127.0.0.1",8000))                        //连接服务器
 while True:
     msg = input("Please input your message:").strip()
     if not msg:continue
     tcp_client.send(msg.encode("utf-8"))                      //会话接收（或发送）
     data = tcp_client.recv(1024)
     print("reply is",data.decode("utf-8"))
 tcp_client.close()                                            //关闭客户端套接字

　　创建客户端比服务端要简单很多，客户端一旦拥有了套接字，就可以利用套接字的connect()方法直接创建一个服务器的连接，建立好连接，就可以参与到服务端的会话中，当客户端的需求全部完成，就会关闭套接字，终止此次连接。

3.4、 Udp服务端和客户端的通信

　　Udp服务器不需要Tcp服务器那么多的配置，因为它不是面向连接的，除了等待传入的连接，它基本不需要其他的操作。

　　Udp服务端：

 import socket
 ip_port = ("127.0.0.1",8000)
 udp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) //创建服务端套接字
 udp_server.bind(ip_port)                                    //绑定本地地址
 print("the server has started")
 while True:
     data,addr = udp_server.recvfrom(1024)                 //关闭接收（或发送）
     print(data)
     udp_server.sendto(data.title(),addr)                //关闭发送（或接受）
     从上面代码中可以看出，除了创建套接字并绑定本地地址后，基本

　　没有其它的操作，它是无连接的，这也就意味着，它无需为了成功通信而使一个客户端连接到一个“特定”的套接字进行转换操作，服务器端仅仅是接收数据并进行回复。

   Udp客户端：

 import socket
 ip_port = ("127.0.0.1",8000)
 udp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)  //创建服务端套接字
 while True:
     msg = input(">>>").strip()
     udp_client.sendto(msg.encode("utf-8"),ip_port)           //发送
     data,addr = udp_client.recvfrom(1024)                   //接收
     print(data)
 udp_client.close()                                        //关闭套接字

Udp客户端，一旦创建了套接字，就可以进行会话循环中，当会话结束，关闭套接字。

在使用Udp进行通信的时候，服务端可以同时接收多个客户端的会话请求并返回请求结果。