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python网络编程之socket

网络编程，肯定就会涉及到网络中进程的通信，那么网络中进程如何通信呢？

知识点

网络中的进程通信

首先需要标识一个进程。本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但在网络中不可行。TCP/IP协议中，在网络层用IP地址唯一标识网络中的主机，传输层中用协议+端口唯一标识主机中的应用程序(进程)，这样利用三元组(IP地址，协议，端口)就可以标识网络的进程，网络中的进程通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。
使用TCP/IP协议的应用程序通常采用引用编程接口:UNIX BSD的套接字(socket)来实现网络进程之间的通信。

python-socket-module

tcp

TCP是Transmission Control Protocol(传输控制协议)的简写。
TCP是一种面向连接的，提供可靠交付服务和全双工通信的，基于字节流的端到端的传输层通信协议。
TCP在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。
每一条TCP连接只能有2个端点，故TCP不提供广播或多播服务。
TCP提供可靠交付，通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
TCP是面向字节流的。虽然应用进程和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等），但TCP把英语程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。TCP并不知道所传输的字节流的含义。
TCP三次握手
状态说明
SYN表示建立连接，FIN表示关闭连接，ACK表示响应，PSH表示有DATA数据传输，RST表示连接重置。

  1. 客户端向服务器发送一个SYN J。
  2. 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1。
  3. 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1。
    至此连接建立完成。
    python-tcp-establish
    TCP四次挥手
    由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
    客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送(M)。
    服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1(M+1)。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
    服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A(N)。
    客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1(N+1)。
    python-tcp-close

    udp

    UDP是User Datagram Protocol(用户数据报协议)的简写。
    UDP是一种无连接的，尽最大努力交付的，基于报文的端到端的传输层通信协议。
    UDP在发送数据之前不需要建立连接；UDP不保证可靠交付，主机不需要位置复杂的连接状态。
    UDP是面向报文的。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的的边界，即应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。在接收端，UDP一次交付一个完整的报文。
    UDP没有拥塞控制，网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。
    UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
    UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

    socket

    套接字的格式
    socket(family,type[,protocal])
    使用给定的地址族、套接字类型、协议编号（默认为0）来创建套接字。

    socket类型

  • socket.AF_UNIX
    只能够用于单一的Unix系统进程间通信。
  • socket.AF_INET
    服务器之间网络通信。
  • socket.AF_INET6
    IPv6
  • socket.SOCK_STREAM
    流式socket , for TCP。
  • socket.SOCK_DGRAM
    数据报式socket , for UDP。
  • socket.SOCK_RAW
    原始套接字，普通的套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文，而SOCK_RAW可以；其次，SOCK_RAW也可以处理特殊的IPv4报文；此外，利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。
  • socket.SOCK_SEQPACKET
    可靠的连续数据包服务。

创建TCP Socket s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
创建UDP Socket s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

socket函数

服务端socket函数

  • s.bind(address)
    将套接字绑定到地址, 在AF_INET下,以元组（host,port）的形式表示地址。
  • s.listen(backlog)
    开始监听TCP传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量。该值至少为1，大部分应用程序设为5就可以了。
  • s.accept()
    接受TCP连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。
    客户端socket
  • s.connect(address)
    接到address处的套接字。一般address的格式为元组（hostname,port），如果连接出错，返回socket.error错误。
  • s.connect_ex(adddress)
    功能与connect(address)相同，但是成功返回0，失败返回errno的值。
    公共socket函数
  • s.recv(bufsize[,flag])
    接受TCP套接字的数据。数据以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大数据量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
  • s.send(string[,flag])
    发送TCP数据。将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。
  • s.sendall(string[,flag])
    完整发送TCP数据。将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。
  • s.recvfrom(bufsize[.flag])
    接受UDP套接字的数据。与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。
  • s.sendto(string[,flag],address)
    发送UDP数据。将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。
  • s.close()
    关闭套接字。
  • s.getpeername()
    返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。
  • s.getsockname()
    返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
  • s.setsockopt(level,optname,value)
    设置给定套接字选项的值。
  • s.getsockopt(level,optname[.buflen])
    返回套接字选项的值。
  • s.settimeout(timeout)
    设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如connect()）
  • s.gettimeout()
    返回当前超时期的值，单位是秒，如果没有设置超时期，则返回None。
  • s.fileno()
    返回套接字的文件描述符。
  • s.setblocking(flag)
    如果flag为0，则将套接字设为非阻塞模式，否则将套接字设为阻塞模式（默认值）。非阻塞模式下，如果调用recv()没有发现任何数据，或send()调用无法立即发送数据，那么将引起socket.error异常。
  • s.makefile()
    创建一个与该套接字相关连的文件

python中socket编程步骤

"python-socket-axiom"

TCP服务端

  1. 创建套接字，绑定套接字到本地IP与端口。

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    s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    address = ('0.0.0.0', 8090)
    s.bind(address)

  2. 开始监听连接

    1
    s.listen(5)

  3. 进入循环，不断接受客户端的连接请求

    1
    s.accept()

  4. 然后接收传来的数据，并发送给对方数据

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    s.recv(bufsize)
    s.sendall(string)

  5. 传输完毕后，关闭套接字

    1
    s.close()

TCP客户端:

  1. 创建套接字，连接远端地址

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    s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    s.connect()

  2. 连接后发送数据和接收数据

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    s.sendall()
    s.recv()

  3. 传输完毕后，关闭套接字

    1
    s.close()

示例

TCP服务端

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import socket
import time

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
address = ('127.0.0.1', 8888)
s.bind(address)
s.listen(10)
print("start server")
while True:
    try:
        conn, addr = s.accept()
        if conn:
            print("recv client from {0}".format(addr))
            while 1:
                data = conn.recv(2048)
                print("recv data:{0}".format(data.decode('utf-8')))
                conn.sendall(data.decode('utf-8').encode('utf-8'))
        else:
            time.sleep(5)
    except Exception as e:
        conn.close()

TCP客户端

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import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
address = ('127.0.0.1', 8888)
s.connect(address)
flag = 1
print("start client")
while flag:
    word = input("word:")
    if word == "exit":
        flag = 0
    s.sendall(word.encode('utf-8'))
    data = s.recv(2048)
    print("recv:{0}".format(data.decode('utf-8')))
s.close()

实现效果
分别启动服务端和客户端，在客户端输入，服务端可查看到客户端输入的内容。
在客户端输入exit，客户端进程结束。

更多关于socket的内容可以点击socket — Low-level networking interface查看官方介绍。

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