Python网络编程（1）-socket

　　　我会在近期尽快更新好以前写的博客，会添加新的知识点和注意问题，排版和内容都会较以前有很大的改观，感谢你们一直的支持！

一、 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）(一般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/服务器架构既能够应用于计算机硬件，也能够应用于软件。

1.一、 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，员工经过局域网将我的电脑链接到打印机上，做为客户端向打印机发送打印请求，打印机做为服务端完成响应处理相应的请求。

1.二、 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中止，如人为关闭，服务器硬件故障等。它的工做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，而后等待下一个客户端的请求。

二、 套接字

　　套接字是网络编程中的一个基本组件，若是想要服务器可以响应客户端发来的请求，首先要创建一个通讯端点，使服务器可以监听服务，当通讯端点创建后，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，能够理解为上面提到的“通讯端点”的概念。在通讯开始以前，网络应用程序必须建立套接字。套接字是网络通讯过程当中端点的抽象表示，包含进行网络通讯必须的五种信息:链接使用的协议，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。 所以,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信，这也就是所谓的进程间通信（IPC）。

　　TCP用主机的IP地址加上主机的端口号做为TCP链接的端点，这种端点就叫作套接字（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作“AF_UNIX”,表明地址家族（address family）：UNIX。在Unix和linux操做系统中，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，因此套接字是基于文件的，它就能够经过访问底层的基础结构来实现进程之间的通讯

　　基于网络的套接字家族名字叫作“AF_INET”，表明地址家族（address family）：INET(因特网)。它使用IPv4进行通讯，由于IPv4使用32位地址，相比于IPv6的128位来讲，计算更快，更适合于局域网的通讯。目前它也是使用最普遍的。

　　在本文中，重点讲网络编程，因此在后面的涉及最多的仍是AF_INET。

2.一、 流式套接字（SOCK_STREAM）

　　不论使用哪一种地址家族，都只有两种套接字的链接方式，一种是面向链接的，一种是无链接的。

　　面向链接的套接字链接方式，意味着在进程通讯以前必须先创建好一个链接，这种套接字就称为流式套接字。

　　流式套接字用于提供面向链接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据可以实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字之因此可以实现可靠的数据服务，缘由在于其使用了传输控制协议，即TCP（The Transmission Control Protocol）协议。在Python中，建立TCP套接字，就必须声明SOCK_STREAM做为套接字类型。

2.二、 数据报套接字（SOCK_DGRAM）

　　数据报套接字提供了一种无链接的服务。这也意味着，使用这种链接方式不须要在进程通讯前创建链接。在数据的传输过程当中，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当中丢失或出现数据重复，且没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。因为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状况，须要在程序中作相应的处理。

　　虽然存在数据丢失、重复、数据无序接受等不少缺点，但它也有优点所在，在流式套接字中，由于是面向链接并提供了可靠的数据传输服务，这对于虚拟电路链接的维护须要很大的开销，但数据报套接字就不须要这些额外的开销，因此维护、资源占用成本更低。

三、 网络编程

　　Python是一个很强大的网络编程工具，Python内有不少针对网络协议的库，这些库对网络协议的各个层次进行抽象封装，这对于程序员来讲就意味着：没必要关心网络协议的原理，只须要经过对程序的逻辑处理，就能够实现网络数据的传输。

3.一、 建立套接字

　　在Python中，建立套接字须要使用socket模块，经过socket()函数建立套接字对象。

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

　　从socket函数的的构造方法中能够看出，能够指定地址家族和套接字的链接方式，proto默认是0，一般都省略。即建立套接字对象的时候：

　　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()	链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()	关闭链接

　　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客户端的链接，（阻塞式）一直等待链接直到链接到达

　　客户端套接字方法

方法	功能
st.connect()	主动发起TCP服务器链接
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做超时时间
st.gettimoout()	获取阻塞套接字的操做超时时间

    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()	建立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

3.三、 Tcp服务器和客户端的通讯

　　上面提到过，套接字对象都是经过socket.socket()函数来建立的，下面模拟一个TCP服务器和客户端，来实现进程间的通讯。

　　Tcp服务端:

 1 import socket
 2 tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //建立服务器套接字
 3 tcp_server.bind(("127.0.0.1",8000))                           //将套接字与地址绑定
 4 tcp_server.listen(5)                                          //创建监听链接
 5 print("The server has started")
 6 while True:
 7     conn,addr= tcp_server.accept()                           //接受客户端的链接
 8     while True:
 9         try:
10             data = conn.recv(1024)                          //会话的接收（或发送）
11             print("msg is",data.decode("utf-8"))           //要将收到的会话数据进行解码
12             conn.send(data.title())                      //会话的发送（或接受）
13         except Exception:
14             break
15     conn.close()                                         //关闭链接
16 tcp_server.close()                                      //关闭服务器套接字

 　　在Tcp服务端，先建立服务器套接字并指定类型为流式套接字（SOCK_STREAM）。由于服务器须要占用一个端口并等待客户端的请求，因此它们必须绑定到一个本地地址。Tcp是一种面向链接的通讯方式，因此必须创建监听链接，listen(5)的意义是容许传入链接的最大数为5个。当调用accept()函数后，服务端就会进入一个等待状态，默认状况下，accept()处于阻塞状态，也就意味着，执行到此处，程序会暂停，直到有新的链接到达，才会进行下一步的收发操做。

　　Tcp客户端：

 1 import socket
 2 tcp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  //建立客户端套接字
 3 tcp_client.connect(("127.0.0.1",8000))                        //链接服务器
 4 while True:
 5     msg = input("Please input your message:").strip()
 6     if not msg:continue
 7     tcp_client.send(msg.encode("utf-8"))                      //会话接收（或发送）
 8     data = tcp_client.recv(1024)
 9     print("reply is",data.decode("utf-8"))
10 tcp_client.close()                                            //关闭客户端套接字

　　建立客户端比服务端要简单不少，客户端一旦拥有了套接字，就能够利用套接字的connect()方法直接建立一个服务器的链接，创建好链接，就能够参与到服务端的会话中，当客户端的需求所有完成，就会关闭套接字，终止这次链接。

3.四、 Udp服务端和客户端的通讯

　　Udp服务器不须要Tcp服务器那么多的配置，由于它不是面向链接的，除了等待传入的链接，它基本不须要其余的操做。

　　Udp服务端：

 1 import socket
 2 ip_port = ("127.0.0.1",8000)
 3 udp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) //建立服务端套接字
 4 udp_server.bind(ip_port)                                    //绑定本地地址
 5 print("the server has started")
 6 while True:
 7     data,addr = udp_server.recvfrom(1024)                 //关闭接收（或发送）
 8     print(data)
 9     udp_server.sendto(data.title(),addr)                //关闭发送（或接受）
10     从上面代码中能够看出，除了建立套接字并绑定本地地址后，基本

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

       Udp客户端：

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

    Udp客户端，一旦建立了套接字，就能够进行会话循环中，当会话结束，关闭套接字。

    在使用Udp进行通讯的时候，服务端能够同时接收多个客户端的会话请求并返回请求结果。