python套接字编程基础

2023-01-28 18:42:09

python套接字编程

socket是什么

套接字的工作流程

基于tcp的套接字

基于udp的套接字

socket是什么

客户端/服务器架构（C/S架构）

服务端:提供服务的一端

客户端：请求服务的一端

互联网中处处是C/S架构

腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频）

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

socket是什么

Socket是应用层与TCP/IP协议通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数

据，以符合指定的协议。所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的的、规定去编程，写的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。

套接字最早起源于Unix系统，一开始使用与一台电脑之间的进程间通讯。

套接字分为面向连接的和无连接的：

第一种是指TCP类型套接字，在通信前需要建立连接，这种连接是较为可靠的，使用的套接字类型是SOCK_STREAM,TCP传输控制协议，经常和IP协议一起使用，称为TCP/IP协议

第二种主要指UDP类型的套接字，无需连接就可以进行通讯，所有速度较快，但是可靠性不高。而且数据是整个发送，不会分成小块。使用的套接字类型是SOCK_DGRAM，UDP协议通常也与IP协议一起使用

套接字分为两种：分别是基于文件型和基于网络型的：

基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切的皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一文件系统间接完成通信

基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INET

AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我们只使用AF_INET

osi七层

一个从应用层发出的信息，往下封装处理数据的过程

socket层

常用方法

服务端套接字函数

s.bind()    绑定(主机,端口号)到套接字

s.listen()  开始TCP监听

s.accept()  被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来

客户端套接字函数

s.connect()     主动初始化TCP服务器连接

s.connect_ex()  connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共用途的套接字函数

s.recv()            接收TCP数据

s.send()            发送TCP数据(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)

s.sendall()         发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)

s.recvfrom()        接收UDP数据

s.sendto()          发送UDP数据

s.getpeername()     连接到当前套接字的远端的地址

s.getsockname()     当前套接字的地址

s.getsockopt()      返回指定套接字的参数

s.setsockopt()      设置指定套接字的参数

s.close()           关闭套接字

面向锁的套接字方法

s.setblocking()     设置套接字的阻塞与非阻塞模式

s.settimeout()      设置阻塞套接字操作的超时时间

s.gettimeout()      得到阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字的函数

s.fileno()          套接字的文件描述符

s.makefile()        创建一个与该套接字相关的文件

套接字的工作流程

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，
这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束

基于tcp的套接字

tcp是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去链接服务端

tcp的套接字模板

tcp服务端

1 ss = socket() #创建服务器套接字

2 ss.bind()      #把地址绑定到套接字

3 ss.listen()      #监听链接

4 inf_loop:      #服务器无限循环

5     cs = ss.accept() #接受客户端链接

6     comm_loop:         #通讯循环

7         cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)

8     cs.close()    #关闭客户端套接字

9 ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

tcp客户端

1 cs = socket()    # 创建客户套接字

2 cs.connect()    # 尝试连接服务器

3 comm_loop:        # 通讯循环

4     cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)

5 cs.close()            # 关闭客户套接字

基于TCP的套接字

注意：
１．不能把程序名称命名为socket

２．发出去的信息使用utf-8编码，解码也使用utf-8解码

３．每一次获得连接，都会获得一个连接对象和地址

#服务端

import socket

def main():

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信，第一个参数是地址家族，第二个参数是地址类型

    s1.bind(('127.0.0.1',4444)) #绑定ip和端口

    s1.listen(5) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

    data=conn.recv(1024) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

    print('服务端收到的信息:',data.decode('utf-8'))

    conn.send(data.upper()) #发送信息

    conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭

if __name__=='__main__':

   main()

#服务端改进后的代码

import socket

def main():

    ip_port= ('127.0.0.1',4444)

    back_log=5

    buffer_size=1024

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信

    s1.bind(ip_port) #绑定ip和端口

    s1.listen(back_log) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

    data=conn.recv(buffer_size) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

    print('服务端收到的信息:',data.decode('utf-8'))

    conn.send(data.upper()) #发送信息

    conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭

if __name__=='__main__':

   main()

#客户端

import socket

def main():

    s2 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

    s2.connect(('127.0.0.1',4444)) #连接服务端

    s2.send('hello'.encode('utf-8'))

    reponse = s2.recv(1024)

    print('客户端收到信息：',reponse.decode('utf-8'))
　　
　　s2.close()

if __name__=='__main__':

    main()

#客户端改进后的代码

import socket

def main():

    ip_port=('127.0.0.1',4444)

    data='hello'

    buffer_size=1024

    s2 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

    s2.connect(ip_port) #连接服务端

    s2.send(data.encode('utf-8'))

    reponse = s2.recv(buffer_size)

    print('客户端收到信息：',reponse.decode('utf-8'))

    s2.close()

if __name__=='__main__':

    main()

在继续改进代码前，我们应该知道，服务端可以先发送信息

注意:
收发数据都是从自己的内核缓存区
操作系统来具体控制对硬件的操作

现在我们需要解决的问题是

服务端与客户端只能进行一次通信，而且没有交互

#服务端

import socket

def main():

    ip_port= ('127.0.0.1',4444)

    back_log=5

    buffer_size=1024

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信

    s1.bind(ip_port) #绑定ip和端口

    s1.listen(back_log) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

    while True:

        data=conn.recv(buffer_size) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

        print('前任:',data.decode('utf-8'))

        data1 = input('我：')

        conn.send(data1.encode('utf-8')) #发送信息

    conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭

if __name__=='__main__':

   main()

#客户端

import socket

def main():

    ip_port = ('127.0.0.1', 4444)

    buffer_size = 1024

    s2 = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    s2.connect(ip_port)  # 连接服务端

    while True:

        data = input('我:')

        s2.send(data.encode('utf-8'))

        reponse = s2.recv(buffer_size)

        print('前任：', reponse.decode('utf-8'))

    s2.close()

if __name__ == '__main__':

    main()

解决两个问题：
１．客户端发送空信息，如果客户端发送空信息，服务端会一直接收不到信息，收信息是从自己内核缓冲区中接收信息，就会一直接收。

２．服务端只能对一个客户端提供服务，如果一个客户端异常断开连接，服务端也会挂掉，我们没有考虑正常中断，所以等会这也是个问题

３．解决服务端如果重启，显示端口被占用的问题　在服务端代码中加入s1.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)，bing()函数前面

#服务端

import socket

def main():

    ip_port= ('127.0.0.1',4444)

    back_log=5

    buffer_size=1024

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信

    s1.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

    s1.bind(ip_port) #绑定ip和端口

    s1.listen(back_log) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    #循环对多个人接收信息

    while True:

        conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

        #循环对一个人接收信息

        while True:

            try:#只要有客户端断开连接 ，就会结束这个循环

                data=conn.recv(buffer_size) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

                print('前任：',data.decode('utf-8'))

                data1 = input('我：')

                conn.send(data1.encode('utf-8'))  # 发送信息

            except Exception:

                break

        conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭服务端套接字

if __name__=='__main__':

   main()

#客户端
import socket

def main():

    ip_port = ('127.0.0.1', 4444)

    buffer_size = 1024

    s2 = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    s2.connect(ip_port)  # 连接服务端

    while True:

        data = input('我：')

        if not data:continue#如果客户端输入信息为空，则继续下一次循环

        s2.send(data.encode('utf-8'))

        reponse = s2.recv(buffer_size)

        print('前任：', reponse.decode('utf-8'))

    s2.close()

if __name__ == '__main__':

    main()

运行演示：

demo4为服务端

demo7,demo10为客户端

现在所谓的对多个客户端提供服务，其实不是并发，服务端只能在同一时间里，对同一个客户端提供服务，只要当其中一个客户端异常断开后，其他客户端才能与服务端建立万完整的三次连接

我们再演示一下客户端正常断开连接时（客户端正常断开连接在代码加一条判断，输入quite）

服务端有什么显示

为什么会出现这样的显示

我们应该怎么改进服务端代码

#服务端

import socket

def main():

    ip_port= ('127.0.0.1',4444)

    back_log=5

    buffer_size=1024

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信

    s1.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

    s1.bind(ip_port) #绑定ip和端口

    s1.listen(back_log) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    #循环对多个人接收信息

    while True:

        conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

        #循环对一个人接收信息

        while True:

            try:#只要有客户端断开连接 ，就会结束这个循环

                data=conn.recv(buffer_size) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

                print('前任：',data.decode('utf-8'))

                data1 = input('我：')

                conn.send(data1.encode('utf-8'))  # 发送信息

            except Exception:

                break

        conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭服务端套接字

if __name__=='__main__':

   main()

#客户端
import socket

def main():

    ip_port = ('127.0.0.1', 4444)

    buffer_size = 1024

    s2 = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    s2.connect(ip_port)  # 连接服务端

    while True:

        data = input('我：')

        if not data:continue#如果客户端输入信息为空，则继续下一次循环

        if data =='quite':break

        s2.send(data.encode('utf-8'))

        reponse = s2.recv(buffer_size)

        print('前任：', reponse.decode('utf-8'))

    s2.close()

if __name__ == '__main__':

    main()

运行结果：

 这里我们可以看出来，在前面客户端异常中断的时候，我们加了异常处理，服务端结束里层循环，服务端继续等待下次连接

而客户端我们在前面加上了处理，客户端是输入不了空信息的，服务端也是接收不到空信息的，怎么正常中断连接，服务端接收到了空信息

首先，客户端是已经断开连接了，前面我们已经知道，如果连接断了，服务端的recv是没有意义的，服务端就会相当于接收空信息，我们怎么处理呢“？

只需要在服务端加上一条判断语句，我们只需要知道，正常情况服务端是不可能接收到空信息的，因为在客户端已经做了处理，只要当客户端正常中断请求才会，

所以我们在服务端加的代码就是如果接收的信息为空，就结束里层循环，说明客户端已经断开连接，服务端可以等待下次连接

#服务端最后的修订版

import socket

def main():

    ip_port= ('127.0.0.1',4444)

    back_log=5

    buffer_size=1024

    s1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #基于tcp的网络通信

    s1.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

    s1.bind(ip_port) #绑定ip和端口

    s1.listen(back_log) #最多连接几个客户端

    print('-->')

    #循环对多个人接收信息

    while True:

        conn,addr = s1.accept() #等待客户端连接连接，如果客户端连接，就会获取到一个连接he和一个地址

        #循环对一个人接收信息

        while True:

            try:#只要有客户端断开连接 ，就会结束这个循环

                data=conn.recv(buffer_size) #接收客户端信息，参数为接收客户端信息的大小限制

                if not data:break

                print('前任：',data.decode('utf-8'))

                data1 = input('我：')

                conn.send(data1.encode('utf-8'))  # 发送信息

            except Exception:

                break

        conn.close() #关闭连接

    s1.close() #关闭服务端套接字

if __name__=='__main__':

   main()

基于udp套接字

基于UDP的套接字

udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错

udp服务端

1 ss = socket()   #创建一个服务器的套接字

2 ss.bind()       #绑定服务器套接字

3 inf_loop:       #服务器无限循环

4     cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)

5 ss.close()                         # 关闭服务器套接字

udp客户端

cs = socket()   # 创建客户套接字

comm_loop:      # 通讯循环

      cs.sendto()/cs.recvfrom()   # 对话(发送/接收)

cs.close()                      # 关闭客户套接字

注意：
不管tcp还是udp收取信息都是从自己的内核缓存中读取信息，tcp的话，如果内核缓存区为空，则recv就会收不到信息，就会阻塞，但是udp能够接收空信息！
而且tcp中只有一个客户端端开连接，后面的才能通信，但是udp由于不需要连接，所以可以同时与多个客户端通信，实现并发

#客户端

from socket import *

def main():

    ip_port = ('127.0.0.1', 4444)

    buffer_size = 1024

    s2 = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) #数据报

    while True:

        data = input('-->：')

        s2.sendto(data.encode('utf--8'),ip_port) #udp发信息没有链接，所以每一个发送信息都需要指定ip和端口

        data1,addr=s2.recvfrom(buffer_size)

        print(data1.decode('utf-8'))

if __name__ =='__main__':

    main()

#服务端

from socket import *

def main():

    ip_port = ('127.0.0.1', 4444)

    buffer_size = 1024

    s1 = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) #数据报

    s1.bind(ip_port)

    while True:

        data,addr=  s1.recvfrom(buffer_size)

        print(data.decode('utf-8'),addr)

        s1.sendto(data.upper(),addr)

if __name__ =='__main__':

    main()

码农公寓