Fork me on GitHub

python核心 - 网络编程

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。 网络编程对所有开发语言都是一样的,Python也不例外。 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。 本章我们将详细介绍Python网络编程的概念和最主要的两种网络类型的编程。

TCP/IP简介

虽然大家现在对互联网很熟悉,但是计算机网络的出现比互联网要早很多。

为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来,就必须规定一套全球通用的协议,为了实现互联网这个目标, 互联网协议簇(Internet Protocol Suite)就是通用协议标准。Internet是由inter和net两个单词组合起来的, 原意就是连接“网络”的网络,有了Internet,任何私有网络,只要支持这个协议,就可以联入互联网。

因为互联网协议包含了上百种协议标准,但是最重要的两个协议是TCP和IP协议,所以,大家把互联网的协议简称TCP/IP协议。

IP协议负责把数据从一台计算机通过网络发送到另一台计算机。数据被分割成一小块一小块,然后通过IP包发送出去。 IP包的特点是按块发送,途径多个路由,但不保证能到达,也不保证顺序到达。 一个IP包除了包含要传输的数据外,还包含源IP地址和目标IP地址,源端口和目标端口。

TCP协议则是建立在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接,保证数据包按顺序到达。 TCP协议会通过握手建立连接,然后,对每个IP包编号,确保对方按顺序收到,如果包丢掉了,就自动重发。

TCP编程

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络连接”, 而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号,再指定协议类型即可。

要创建一个基于TCP连接的Socket,可以这样做:

# 导入socket库:
import socket

# 创建一个socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

AF_INET指定使用IPv4协议,如果要用更先进的IPv6,就指定为AF_INET6。 SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议,这样,一个Socket对象就创建成功,但是还没有建立连接。

客户端要主动发起TCP连接,必须知道服务器的IP地址和端口号。 新浪网站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自动转换到IP地址,但是怎么知道新浪服务器的端口号呢?

建立TCP连接后,我们就可以向新浪服务器发送请求,要求返回首页的内容:

# 发送数据:
s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')

发送的文本符合HTTP协议格式后就能接受数据了:

# 接收数据:
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字节:
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b''.join(buffer)

# 关闭连接:
s.close()

服务器

服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。

一个Socket依赖4项:服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket。

但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求,所以,每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理, 否则,服务器一次就只能服务一个客户端了。

我们来编写一个简单的服务器程序,它接收客户端连接,把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去。

首先,创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 监听端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))
# 监听端口,传入的参数指定等待连接的最大数量5
s.listen(5)
print('Waiting for connection...')
while True:
    # 接受一个新连接:
    sock, addr = s.accept()
    # 创建新线程来处理TCP连接:
    t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))
    t.start()

每个连接都必须创建新线程(或进程)来处理,否则,单线程在处理连接的过程中,无法接受其他客户端的连接:

def tcplink(sock, addr):
    print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)
    sock.send(b'Welcome!')
    while True:
        data = sock.recv(1024)
        time.sleep(1)
        if not data or data.decode('utf-8') == 'exit':
            break
        sock.send(('Hello, %s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8'))
    sock.close()
    print('Connection from %s:%s closed.' % addr)

连接建立后,服务器首先发一条欢迎消息,然后等待客户端数据,并加上Hello再发送给客户端。如果客户端发送了exit字符串,就直接关闭连接。

要测试这个服务器程序,我们还需要编写一个客户端程序:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接:
s.connect(('127.0.0.1', 9999))
# 接收欢迎消息:
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 发送数据:
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.send(b'exit')
s.close()

我们需要打开两个命令行窗口,一个运行服务器程序,另一个运行客户端程序,就可以看到效果了。 需要注意的是,客户端程序运行完毕就退出了,而服务器程序会永远运行下去,必须按Ctrl+C退出程序。

用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单,对于客户端,要主动连接服务器的IP和指定端口, 对于服务器,要首先监听指定端口,然后,对每一个新的连接,创建一个线程或进程来处理。通常,服务器程序会无限运行下去。

同一个端口,被一个Socket绑定了以后,就不能被别的Socket绑定了。

UDP编程

TCP是建立可靠连接,并且通信双方都可以以流的形式发送数据。相对TCP,UDP则是面向无连接的协议。

使用UDP协议时,不需要建立连接,只需要知道对方的IP地址和端口号,就可以直接发数据包。但是,能不能到达就不知道了。

虽然用UDP传输数据不可靠,但它的优点是和TCP比,速度快,对于不要求可靠到达的数据,就可以使用UDP协议。

首先服务器要绑定端口:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

创建Socket时,SOCK_DGRAM指定了这个Socket的类型是UDP。 绑定端口和TCP一样,但是不需要调用listen()方法,而是直接接收来自任何客户端的数据:

print('Bind UDP on 9999...')
while True:
    # 接收数据:
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print('Received from %s:%s.' % addr)
    s.sendto(b'Hello, %s!' % data, addr)

recvfrom()方法返回数据和客户端的地址与端口,这样,服务器收到数据后,直接调用sendto()就可以把数据用UDP发给客户端。 注意这里省掉了多线程,因为这个例子很简单。

客户端使用UDP时,首先仍然创建基于UDP的Socket,然后,不需要调用connect(),直接通过sendto()给服务器发数据:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 发送数据:
    s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
    # 接收数据:
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.close()

从服务器接收数据仍然调用recv()方法,仍然用两个命令行分别启动服务器和客户端测试。

UDP的使用与TCP类似,但是不需要建立连接。此外,服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突, 也就是说,UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。