用Python進行TCP網(wǎng)絡(luò)編程的教程
Socket是網(wǎng)絡(luò)編程的一個抽象概念。通常我們用一個Socket表示“打開了一個網(wǎng)絡(luò)鏈接”,而打開一個Socket需要知道目標計算機的IP地址和端口號,再指定協(xié)議類型即可。
客戶端
大多數(shù)連接都是可靠的TCP連接。創(chuàng)建TCP連接時,主動發(fā)起連接的叫客戶端,被動響應(yīng)連接的叫服務(wù)器。
舉個例子,當我們在瀏覽器中訪問新浪時,我們自己的計算機就是客戶端,瀏覽器會主動向新浪的服務(wù)器發(fā)起連接。如果一切順利,新浪的服務(wù)器接受了我們的連接,一個TCP連接就建立起來的,后面的通信就是發(fā)送網(wǎng)頁內(nèi)容了。
所以,我們要創(chuàng)建一個基于TCP連接的Socket,可以這樣做:
# 導入socket庫: import socket # 創(chuàng)建一個socket: s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立連接: s.connect(('www.sina.com.cn', 80))
創(chuàng)建Socket時,AF_INET指定使用IPv4協(xié)議,如果要用更先進的IPv6,就指定為AF_INET6。SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP協(xié)議,這樣,一個Socket對象就創(chuàng)建成功,但是還沒有建立連接。
客戶端要主動發(fā)起TCP連接,必須知道服務(wù)器的IP地址和端口號。新浪網(wǎng)站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自動轉(zhuǎn)換到IP地址,但是怎么知道新浪服務(wù)器的端口號呢?
答案是作為服務(wù)器,提供什么樣的服務(wù),端口號就必須固定下來。由于我們想要訪問網(wǎng)頁,因此新浪提供網(wǎng)頁服務(wù)的服務(wù)器必須把端口號固定在80端口,因為80端口是Web服務(wù)的標準端口。其他服務(wù)都有對應(yīng)的標準端口號,例如SMTP服務(wù)是25端口,F(xiàn)TP服務(wù)是21端口,等等。端口號小于1024的是Internet標準服務(wù)的端口,端口號大于1024的,可以任意使用。
因此,我們連接新浪服務(wù)器的代碼如下:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))
注意參數(shù)是一個tuple,包含地址和端口號。
建立TCP連接后,我們就可以向新浪服務(wù)器發(fā)送請求,要求返回首頁的內(nèi)容:
# 發(fā)送數(shù)據(jù): s.send('GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')
TCP連接創(chuàng)建的是雙向通道,雙方都可以同時給對方發(fā)數(shù)據(jù)。但是誰先發(fā)誰后發(fā),怎么協(xié)調(diào),要根據(jù)具體的協(xié)議來決定。例如,HTTP協(xié)議規(guī)定客戶端必須先發(fā)請求給服務(wù)器,服務(wù)器收到后才發(fā)數(shù)據(jù)給客戶端。
發(fā)送的文本格式必須符合HTTP標準,如果格式?jīng)]問題,接下來就可以接收新浪服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)了:
# 接收數(shù)據(jù): buffer = [] while True: # 每次最多接收1k字節(jié): d = s.recv(1024) if d: buffer.append(d) else: break data = ''.join(buffer)
接收數(shù)據(jù)時,調(diào)用recv(max)方法,一次最多接收指定的字節(jié)數(shù),因此,在一個while循環(huán)中反復(fù)接收,直到recv()返回空數(shù)據(jù),表示接收完畢,退出循環(huán)。
當我們接收完數(shù)據(jù)后,調(diào)用close()方法關(guān)閉Socket,這樣,一次完整的網(wǎng)絡(luò)通信就結(jié)束了:
# 關(guān)閉連接: s.close()
接收到的數(shù)據(jù)包括HTTP頭和網(wǎng)頁本身,我們只需要把HTTP頭和網(wǎng)頁分離一下,把HTTP頭打印出來,網(wǎng)頁內(nèi)容保存到文件:
header, html = data.split('\r\n\r\n', 1) print header # 把接收的數(shù)據(jù)寫入文件: with open('sina.html', 'wb') as f: f.write(html)
現(xiàn)在,只需要在瀏覽器中打開這個sina.html文件,就可以看到新浪的首頁了。
服務(wù)器
和客戶端編程相比,服務(wù)器編程就要復(fù)雜一些。
服務(wù)器進程首先要綁定一個端口并監(jiān)聽來自其他客戶端的連接。如果某個客戶端連接過來了,服務(wù)器就與該客戶端建立Socket連接,隨后的通信就靠這個Socket連接了。
所以,服務(wù)器會打開固定端口(比如80)監(jiān)聽,每來一個客戶端連接,就創(chuàng)建該Socket連接。由于服務(wù)器會有大量來自客戶端的連接,所以,服務(wù)器要能夠區(qū)分一個Socket連接是和哪個客戶端綁定的。一個Socket依賴4項:服務(wù)器地址、服務(wù)器端口、客戶端地址、客戶端端口來唯一確定一個Socket。
但是服務(wù)器還需要同時響應(yīng)多個客戶端的請求,所以,每個連接都需要一個新的進程或者新的線程來處理,否則,服務(wù)器一次就只能服務(wù)一個客戶端了。
我們來編寫一個簡單的服務(wù)器程序,它接收客戶端連接,把客戶端發(fā)過來的字符串加上Hello再發(fā)回去。
首先,創(chuàng)建一個基于IPv4和TCP協(xié)議的Socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
然后,我們要綁定監(jiān)聽的地址和端口。服務(wù)器可能有多塊網(wǎng)卡,可以綁定到某一塊網(wǎng)卡的IP地址上,也可以用0.0.0.0綁定到所有的網(wǎng)絡(luò)地址,還可以用127.0.0.1綁定到本機地址。127.0.0.1是一個特殊的IP地址,表示本機地址,如果綁定到這個地址,客戶端必須同時在本機運行才能連接,也就是說,外部的計算機無法連接進來。
端口號需要預(yù)先指定。因為我們寫的這個服務(wù)不是標準服務(wù),所以用9999這個端口號。請注意,小于1024的端口號必須要有管理員權(quán)限才能綁定:
# 監(jiān)聽端口: s.bind(('127.0.0.1', 9999))
緊接著,調(diào)用listen()方法開始監(jiān)聽端口,傳入的參數(shù)指定等待連接的最大數(shù)量:
s.listen(5) print 'Waiting for connection...'
接下來,服務(wù)器程序通過一個永久循環(huán)來接受來自客戶端的連接,accept()會等待并返回一個客戶端的連接:
while True: # 接受一個新連接: sock, addr = s.accept() # 創(chuàng)建新線程來處理TCP連接: t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr)) t.start()
每個連接都必須創(chuàng)建新線程(或進程)來處理,否則,單線程在處理連接的過程中,無法接受其他客戶端的連接:
def tcplink(sock, addr): print 'Accept new connection from %s:%s...' % addr sock.send('Welcome!') while True: data = sock.recv(1024) time.sleep(1) if data == 'exit' or not data: break sock.send('Hello, %s!' % data) sock.close() print 'Connection from %s:%s closed.' % addr
連接建立后,服務(wù)器首先發(fā)一條歡迎消息,然后等待客戶端數(shù)據(jù),并加上Hello再發(fā)送給客戶端。如果客戶端發(fā)送了exit字符串,就直接關(guān)閉連接。
要測試這個服務(wù)器程序,我們還需要編寫一個客戶端程序:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立連接: s.connect(('127.0.0.1', 9999)) # 接收歡迎消息: print s.recv(1024) for data in ['Michael', 'Tracy', 'Sarah']: # 發(fā)送數(shù)據(jù): s.send(data) print s.recv(1024) s.send('exit') s.close()
我們需要打開兩個命令行窗口,一個運行服務(wù)器程序,另一個運行客戶端程序,就可以看到效果了:
小結(jié)
用TCP協(xié)議進行Socket編程在Python中十分簡單,對于客戶端,要主動連接服務(wù)器的IP和指定端口,對于服務(wù)器,要首先監(jiān)聽指定端口,然后,對每一個新的連接,創(chuàng)建一個線程或進程來處理。通常,服務(wù)器程序會無限運行下去。
同一個端口,被一個Socket綁定了以后,就不能被別的Socket綁定了。
源碼參考:https://github.com/michaelliao/learn-python/tree/master/socket
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