Python实现网络通信：Socket模块与TCP/IP协议全解析_pyhton 充电桩tcp socket框架-优快云博客

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Langchain系列文章目录

01-玩转LangChain：从模型调用到Prompt模板与输出解析的完整指南
 02-玩转 LangChain Memory 模块：四种记忆类型详解及应用场景全覆盖
 03-全面掌握 LangChain：从核心链条构建到动态任务分配的实战指南
 04-玩转 LangChain：从文档加载到高效问答系统构建的全程实战
 05-玩转 LangChain：深度评估问答系统的三种高效方法（示例生成、手动评估与LLM辅助评估）
06-从 0 到 1 掌握 LangChain Agents：自定义工具 + LLM 打造智能工作流！

python系列文章目录

01-Python 基础语法入门：从变量到输入输出，零基础也能学会！
02-Python 流程控制终极指南：if-else 和 for-while深度解析
 03-Python 列表与元组全攻略：从新手到高手的必备指南
 04-Python 字典与集合：从入门到精通的全面解析
 05-Python函数入门指南：从定义到应用
 06-Python 函数高级特性：从默认参数到闭包的全面解析
 07-Python 模块与包：从零到自定义的全面指南
 08-Python异常处理：从入门到精通的实用指南
 09-Python 文件操作：从零基础到日志记录实战
 10-Python面向对象编程入门：从类与对象到方法与属性
 11-Python类的方法与属性：从入门到进阶的全面解析
 12-Python继承与多态：提升代码复用与灵活性的关键技术
 13-掌握Python魔法方法：如何用__add__和__len__自定义类的行为
 14-python面向对象编程总结：从基础到进阶的 OOP 核心思想与设计技巧
 15-掌握 Python 高级特性：深入理解迭代器与生成器
 16-用 Python 装饰器提升效率：日志与权限验证案例
 17-再也不怕资源泄漏！Python 上下文管理器，with语句全攻略
 18-Python 标准库必备模块：math、random、os、json 全解析
 19-Python 性能优化：从入门到精通的实用指南
 20-Python内存管理与垃圾回收全解析
 21-Python 代码调试与测试：从 pdb 到 TDD 的全面指南
 22-Python 代码风格终极指南：从 PEP 8 到最佳实践全解析
23-Python实现网络通信：Socket模块与TCP/IP协议全解析

前言

在互联网时代，网络编程是每个开发者都值得掌握的核心技能之一。从网页浏览到即时聊天，再到物联网设备之间的通信，网络编程无处不在。作为Python学习旅程的第23天，我们将迈入网络编程的世界，探索其基础知识。本文将从TCP/IP协议的基本概念讲起，逐步深入到使用Python的socket模块实现网络通信，并通过实际代码带你编写客户端和服务器端程序。

无论你是初学者还是有一定经验的开发者，这篇文章都将为你提供清晰的知识框架和实用的代码示例。让我们一起开启这场网络编程的探索之旅吧！

一、TCP/IP协议概述

网络编程的核心在于理解通信协议，而TCP/IP协议是互联网的基石。本节将带你了解它的基本概念和分层结构，帮助你建立网络通信的整体认知。

1.1 什么是TCP/IP协议

TCP/IP协议全称“传输控制协议/网际协议”，是一组用于实现网络通信的协议集合。它定义了设备如何连接到网络，以及数据如何在设备间传输。简单来说，TCP/IP就像网络世界的“交通规则”，确保数据能够准确、高效地到达目的地。

TCP（传输控制协议）：负责数据的可靠传输，保证数据按顺序到达且不丢失。
IP（网际协议）：负责数据的寻址和路由，决定数据从哪里发到哪里。

1.2 TCP/IP协议的分层结构

TCP/IP协议采用四层模型，每一层都有明确的功能。通过分层设计，网络通信变得模块化且易于理解。

1.2.1 应用层

应用层是用户直接接触的部分，负责处理应用程序的通信需求。例如：

HTTP：浏览网页时使用。
FTP：传输文件时使用。
SMTP：发送邮件时使用。

1.2.2 传输层

传输层确保数据的端到端传输，提供可靠性或高效性两种选择：

TCP：面向连接，保证数据完整，适用于需要高可靠性的场景（如文件下载）。
UDP：无连接，速度快但不保证数据到达，适用于实时性要求高的场景（如视频直播）。

1.2.3 网络层

网络层负责数据的路由和转发，核心协议是IP。它为每台设备分配一个IP地址，并决定数据包的传输路径。

1.2.4 链路层

链路层是最底层，负责将数据封装成帧并通过物理网络（如以太网或Wi-Fi）传输。它处理硬件相关的工作，如MAC地址。

通过这四层的协作，TCP/IP协议让网络通信变得井然有序。如下图展示了其分层结构：

二、使用`socket`模块实现网络通信

Python提供了强大的socket模块，让我们能够轻松实现网络通信。本节将从socket的基本概念入手，逐步讲解它的用法。

2.1 什么是`socket`

socket（套接字）是网络通信的桥梁，可以看作是应用程序与网络之间的“插座”。通过socket，程序可以发送和接收数据，实现设备间的通信。

应用场景：聊天软件、文件传输工具、Web服务器等都离不开socket。
类型：常见的有TCP socket（可靠传输）和UDP socket（快速传输）。

2.2 创建`socket`对象

在Python中，使用socket模块的socket()函数创建socket对象。需要指定地址族和套接字类型：

import socket

# 创建TCP socket (AF_INET表示IPv4，SOCK_STREAM表示TCP)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

地址族：AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
类型：SOCK_STREAM用于TCP，SOCK_DGRAM用于UDP。

2.3 `socket`的基本方法

创建socket后，我们可以通过一系列方法实现通信。以下是常用的操作步骤：

2.3.1 绑定地址和端口

服务器端需要将socket绑定到特定的IP地址和端口号，以便客户端可以找到它：

# 绑定到本机IP (127.0.0.1) 和端口8080
sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

参数：一个元组，包含IP地址（字符串）和端口号（整数）。
常见问题：如果端口被占用，会抛出OSError，可以尝试换一个端口。

2.3.2 监听连接

绑定后，服务器端需要调用listen()开始监听客户端连接：

# 监听连接，5表示最大等待连接数
sock.listen(5)

2.3.3 接受连接

当客户端发起连接时，服务器使用accept()接受连接，返回一个新的socket对象和客户端地址：

# 接受连接
client_sock, client_addr = sock.accept()
print(f"连接来自：{client_addr}")

返回值：client_sock用于与该客户端通信，client_addr是客户端的IP和端口。

2.3.4 发送和接收数据

通信的核心是数据的发送和接收，使用send()和recv()方法：

# 发送数据 (数据需为字节类型)
client_sock.send(b"Hello, client!")

# 接收数据 (1024表示最大接收字节数)
data = client_sock.recv(1024)
print(f"收到数据：{data.decode()}")

注意：发送数据前需编码（如encode()），接收后需解码（如decode()）。

三、客户端与服务器端程序

掌握了socket的基本用法后，我们通过实际代码实现一个简单的客户端-服务器通信系统。服务器端接收消息并回显，客户端发送消息并显示响应。

3.1 服务器端程序

服务器端程序负责监听连接并处理客户端请求。以下是完整实现：

3.1.1 创建服务器`socket`

import socket

# 创建TCP socket
server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

3.1.2 绑定地址和端口

# 绑定到本机8080端口
server_sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

3.1.3 监听连接

# 开始监听
server_sock.listen(5)
print("服务器启动，监听端口8080...")

3.1.4 接受客户端连接

while True:
    # 接受连接
    client_sock, client_addr = server_sock.accept()
    print(f"客户端 {client_addr} 已连接")

3.1.5 处理客户端请求

    # 处理请求
    while True:
        data = client_sock.recv(1024)
        if not data:  # 客户端断开时data为空
            break
        print(f"收到消息：{data.decode()}")
        client_sock.send(data)  # 回显消息
    client_sock.close()

完整代码：

import socket

server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind(('127.0.0.1', 8080))
server_sock.listen(5)
print("服务器启动，监听端口8080...")

while True:
    client_sock, client_addr = server_sock.accept()
    print(f"客户端 {client_addr} 已连接")
    while True:
        data = client_sock.recv(1024)
        if not data:
            break
        print(f"收到消息：{data.decode()}")
        client_sock.send(data)
    client_sock.close()

运行结果：启动后，服务器会等待客户端连接，并回显收到的消息。

3.2 客户端程序

客户端程序主动连接服务器，发送消息并接收响应。

3.2.1 创建客户端`socket`

import socket

# 创建TCP socket
client_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

3.2.2 连接服务器

# 连接服务器
client_sock.connect(('127.0.0.1', 8080))

3.2.3 发送数据

# 发送消息
client_sock.send(b"Hello, server!")

3.2.4 接收数据

# 接收响应
data = client_sock.recv(1024)
print(f"服务器响应：{data.decode()}")
client_sock.close()

完整代码：

import socket

client_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_sock.connect(('127.0.0.1', 8080))
client_sock.send(b"Hello, server!")
data = client_sock.recv(1024)
print(f"服务器响应：{data.decode()}")
client_sock.close()