python核心编程笔记——网络编程（二）

最新推荐文章于 2024-02-14 09:56:34 发布

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本文深入探讨Python网络编程，详细讲解socket模块的使用，包括TCP和UDP服务器与客户端的创建，以及套接字对象的各种方法和属性。适合初学者和进阶者掌握网络编程核心技能。

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Python中的网络编程

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Python中的网络编程

．　本节中使用的主要模块是socket模块，在模块中可以找到socket()函数，该函数用于创建套接字对象。套接字也有自己的方法集，这些方法可以实现基于套接字的网络通信。

socket()模块函数

．　创建套接字要使用socket.socket()函数，其一般语法如下：

socket(socket_family,socket_type,protocol = 0)

．　其中socket_family是AF_UNIX或AF_INET，socket_type是SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，protocol通常省略，默认为0。因此创建TCP或UDP套接字的形式如下：

tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

．　在有了套接字对象后，就可以使用套接字对象的方法来做进一步交互。对Python来说，可以使用“from socket import * ”将socket属性引入命名空间中，这样能够大大缩短代码：

tcpSock = socket.socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

套接字对象（内置）方法

．　以下的表列举了一些常见的套接字对象的方法和属性：

名称	描述
服务器套接字方法
s.bind()	将地址（主机号、端口号对）绑定到套接字上
s.listen()	设置并启动TCP监听器
s.accept()	被动接受TCP客户端连接，一直等待知道连接到达（阻塞），每个连接进来的客户端，都会通过accept函数返回一个不同的客户端的socket对象和属于客户端的套接字
客户端套接字方法
s.connect()	主动发起TCP服务器连接
s.connect_ex()	上个方法的升级版，会以错误码的形式返回问题，而不是抛出异常
普通的套接字方法
s.recv()	接受TCP消息
s.recv_into()	接受TCP消息到指定的缓冲区
s.send()	发送TCP消息
s.sendall()	完整的发送TCP消息
s.recvfrom()	接受UDP消息
s.recvfrom_into()	接受UDP消息到指定的缓冲区
s.sendto()	发送UDP消息
s.getpeername()	连接到套接字（TCP）的远程地址
s.getsockname()	当前套接字的地址
s.getsockopt()	返回给定套接字选项的值
s.setsockopt()	设置给定套接字选项的值
s.shutdown()	关闭连接
s.close()	关闭套接字
s.detach()	在未关闭文件描述符的情况下关闭套接字，返回文件描述符
s.ioctl()	控制套接字的模式（仅支持 Windows）
面向阻塞的套接字方法
s.setblocking()	设置套接字的阻塞或非阻塞模式
s.settimeout()	设置阻塞套接字操作的超时时间
s.gettimeout()	获取阻塞套接字操作的超时时间
面向文件的套接字方法
s.fileno()	套接字的文件描述符
s.makefile()	创建与套接字关联的文件对象
数据属性
s.family	套接字家族
s.type	套接字类型
s.proto	套接字协议

创建TCP服务器

．　首先看看创建TCP服务器的一般伪代码：

ss = socket()					#创建服务器套接字
ss.bind()						#套接字与地址绑定
ss.listen()						#监听连接
inf_loop:						#服务器无限连接
	cs = ss.accept()			#接受客户端连接
	comm_loop:					#通信循环
		cs.recv()/cs.send()		#对话（接受/发送）
	cs.close()					#关闭客户端套接字
ss.close()						#关闭服务器套接字（可选）

．　所有的套接字都通过socket()函数来创建对象，因为服务器需要占用一个端口等待客户端的请求，所以需要绑定一个本地地址，特别的TCP服务器必须监听（传入的）连接，一旦这个过程完了之后，服务器就可以开始它的无限循环。
　　调用accept()函数之后，就开启了一个简单的（单线程）服务器，它会等待客户端的连接。默认情况下，accept()是阻塞的，这意味着执行将被暂停，直到一个连接到达（套接字也确实支持非阻塞模式）。
　　一旦服务器接收了一个连接，就会返回（利用accept()）一个独立的客户端套接字，用来与即将到来的消息进行交换。也就是说，当一个传入的请求到达时，服务器会创建一个新的通信端口来直接与客户端进行通信，再次空出主要的端口（原始服务器套接字），以使其能够接受新的客户端连接；而通过使用这个新的套接字，客户端和服务器之间就可以开始参与发送和接受的对话中，直到连接终止(当一方关闭连接或者向对方发送一个空字符串时，通常就会关闭连接)。
　　接下来创建一个TCP服务器，它接受来自客户端的消息，并返回加了时间戳的相同内容的消息：

from socket import *
from time import ctime

Host = ''
Port = 21567
Bufsize = 1024
Addr = (Host,Port)

tcpSerSock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpSerSock.bind(Addr)
tcpSerSock.listen(5)

while True:
    print('waiting for connection...')
    tcpCliSock,addr = tcpSerSock.accept()
    print('...connected from:',addr)

    while True:
        data = tcpCliSock.recv(Bufsize)
        if not data:
            break
        senddata = '[%s] %s.' % (bytes(ctime(),'utf-8'),data)
        tcpCliSock.send(senddata.encode())

    tcpCliSock.close()
tcpSerSock.close()

创建TCP客户端

．　创建客户端相对要简单一些，首先还是看看伪码：

cs = socket() 				#  创建客户端套接字
cs.connect() 				#  尝试连接服务器
comm_loop:					#  通信循环
	cs.send()/cs.recv() 	#  对话（发送 / 接收）
cs.close() 					#  关闭客户端套接字

．　一旦客户端拥有了一个套接字，它就可以利用套接字的connect()方法直接创建一个到服务器的连接，当连接建立之后就可以参与到与服务器的对话中，最后，如果客户端完成了它的事务，它就可以关闭套接字，终止此次连接。
　　以下是TCP客户端的代码示例：

from socket import *

Host = 'localhost'
Port = 21567
Bufsize = 1024
Addr = (Host,Port)

tcpCliSock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpCliSock.connect(Addr)

while True:
    data = input('> ')
    if not data:
        break
    
    tcpCliSock.send(data.encode())
    data = tcpCliSock.recv(Bufsize)
    if not data:
        break
    print(data.decode('utf-8'))

tcpCliSock.close()

．　客户端也有一个无限循环，但是不会意味着它会永远运行下去，客户端循环在以下两种情况将会跳出：用户没有输入；或者服务器终止且对recv()方法的调用失败。

执行TCP服务器和客户端

．　首先要运行的应该是服务器，因为如果先运行客户端，那么将无法进行任何连接。服务器可以视为一个被动伙伴，因为必须首先建立自己，然后被动地等待连接。另一方面，客户端是一个主动的合作伙伴，因为它主动发起一个连接。

创建UDP服务器

．　UDP服务器不需要TCP服务器那么多设置，因为它不是面向连接的，除了等待传入的连接外，几乎不需要做任何其他工作。它的伪码如下：

ss = socket()									#  创建服务器套接字
ss.bind() 										#  绑定服务器套接字
inf_loop:										#  服务器无限循环
	cs = ss.recvfrom()/ss.sendto()  			#  关闭（接收 / 发送）
ss.close()  									#  关闭服务器套接字（可选）

．　从上面的伪代码中可以看出，除了普通的创建套接字并将其绑定到本地地址（主机名/端口号对）外，并没有额外的工作。UDP 和 TCP 服务器之间的另一个显著差异是，因为数据报套接字是无连接的，所以就没有为了成功通信而使客户端连接到一个独立的套接字“转换“的操作，以下是UDP加时间戳的服务器代码示例：

from socket import *
from time import ctime

Host = ''
Port = 21567
Bufsize = 1024
Addr = (Host,Port)

udpSerSock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
udpSerSock.bind(Addr)

while True:
    print('waiting for message...')
    data,addr = udpSerSock.recvfrom(Bufsize)
    senddata = '[%s] %s.' % (bytes(ctime(),'utf-8'),data)
    udpSerSock.sendto(senddata.encode(),addr)
    print('...received from and returned to :',addr)

udpSerSock.close()

创建UDP客户端

．　UDP的客户端代码是最短的，它的伪代码如下：

cs = socket() 							#  创建客户端套接字
comm_loop: 								#  通信循环
	cs.sendto()/cs.recvfrom()  			#  对话（发送 / 接收）
cs.close() 								#  关闭客户端套接字

．　一旦创建了套接字对象，就进入对话循环中与服务器进行信息交互，最后当通信结束的时候会关闭套接字。以下是UDP的时间戳客户端代码示例：

from socket import *

Host = 'localhost'
Port = 21567
Bufsize = 1024
Addr = (Host,Port)

udpCliSock = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

while True:
    data = input('> ')
    if not data:
        break
    udpCliSock.sendto(data.encode(),Addr)
    data,Addr = udpCliSock.recvfrom(Bufsize)
    if not data:
        break
    print(data)

udpCliSock.close()

socket模块属性

．　除了现在熟悉的 socket.socket()函数之外，socket 模块还提供了更多用于网络应用开发的属性，下标列出了常用的属性：

属性名	描述
数据属性
AF_UNIX、AF_INET、AF_INET6 、AF_NETLINK 、AF_TIPC	Python 中支持的套接字地址家族
SO_STREAM、SO_DGRAM	套接字类型（TCP=流，UDP=数据报）
has_ipv6	指示是否支持 IPv6 的布尔标记
异常
error	套接字相关错误
herror	主机和地址相关错误
gaierror	地址相关错误
timeout	超时时间
函数
socket()	以给定的地址家族、套接字类型和协议类型（可选）创建一个套接字对象
socketpair()	以给定的地址家族、套接字类型和协议类型（可选）创建一对套接字对象,函数用于创建一对无名的、相互连接的套接字。如果函数成功，则返回0，创建好的套接字分别是sv[0]和sv[1]；否则返回-1，错误码保存于errno中
create_connection()	常规函数，它接收一个地址（主机名，端口号）对，返回套接字对象
fromfd()	以一个打开的文件描述符创建一个套接字对象
ssl()	通过套接字启动一个安全套接字层连接；不执行证书验证
getaddrinfo()	获取一个五元组序列形式的地址信息
getnameinfo()	给定一个套接字地址，返回（主机名，端口号）二元组
getfqdn()	返回完整的域名
gethostname()	返回当前主机名
gethostbyname()	将一个主机名映射到它的 IP 地址
gethostbyname_ex()	gethostbyname()的扩展版本，它返回主机名、别名主机集合和 IP 地址列表
gethostbyaddr()	将一个 IP 地址映射到 DNS 信息；返回与 gethostbyname_ex()相同的 3 元组
getprotobyname()	将一个协议名（如‘tcp’）映射到一个数字
getservbyname()/getservbyport()	将一个服务名映射到一个端口号，或者反过来；对于任何一个函数来说，协议名都是可选的
ntohl()/ntohs()	将来自网络的整数转换为主机字节顺序
htonl()/htons()	将来自主机的整数转换为网络字节顺序
inet_aton()/inet_ntoa()	将 IP 地址八进制字符串转换成 32 位的包格式，或者反过来（仅用于 IPv4 地址）
inet_pton()/inet_ntop()	将IP 地址字符串转换成打包的二进制格式，或者反过来（同时适用于 IPv4 和IPv6 地址）
getdefaulttimeout()/setdefaulttimeout()	以秒（浮点数）为单位返回默认套接字超时时间；以秒（浮点数）为单位设置默认套接字超时时间