詳解Python Socket網(wǎng)絡(luò)編程
Socket 是進程間通信的一種方式，它與其他進程間通信的一個主要不同是：它能實現(xiàn)不同主機間的進程間通信，我們網(wǎng)絡(luò)上各種各樣的服務(wù)大多都是基于 Socket 來完成通信的，例如我們每天瀏覽網(wǎng)頁、QQ 聊天、收發(fā) email 等等。要解決網(wǎng)絡(luò)上兩臺主機之間的進程通信問題，首先要唯一標識該進程，在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，就是通過 (IP地址，協(xié)議，端口號) 三元組來標識進程的，解決了進程標識問題，就有了通信的基礎(chǔ)了。
本文主要介紹使用Python 進行TCP Socket 網(wǎng)絡(luò)編程，假設(shè)你已經(jīng)具有初步的網(wǎng)絡(luò)知識及Python 基本語法知識。
TCP 是一種面向連接的傳輸層協(xié)議，TCP Socket 是基于一種 Client-Server 的編程模型，服務(wù)端監(jiān)聽客戶端的連接請求，一旦建立連接即可以進行傳輸數(shù)據(jù)。那么對 TCP Socket 編程的介紹也分為客戶端和服務(wù)端：
一、客戶端編程
創(chuàng)建socket
首先要創(chuàng)建 socket，用 Python 中 socket 模塊的函數(shù) socket 就可以完成：
#Socket client example in python import socket #for sockets #create an AF_INET, STREAM socket (TCP) s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) print 'Socket Created'
函數(shù)socket.socket 創(chuàng)建一個 socket，返回該 socket 的描述符，將在后面相關(guān)函數(shù)中使用。該函數(shù)帶有兩個參數(shù)：
Address Family：可以選擇 AF_INET（用于 Internet 進程間通信） 或者 AF_UNIX（用于同一臺機器進程間通信）
Type：套接字類型，可以是 SOCKET_STREAM（流式套接字，主要用于 TCP 協(xié)議）或者SOCKET_DGRAM（數(shù)據(jù)報套接字，主要用于 UDP 協(xié)議）
注：由于本文主要概述一下 Python Socket 編程的過程，因此不會對相關(guān)函數(shù)參數(shù)、返回值進行詳細介紹，需要了解的可以查看相關(guān)手冊
錯誤處理
如果創(chuàng)建 socket 函數(shù)失敗，會拋出一個 socket.error 的異常，需要捕獲：
#handling errors in python socket programs import socket #for sockets import sys #for exit try: #create an AF_INET, STREAM socket (TCP) s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) except socket.error, msg: print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1] sys.exit(); print 'Socket Created'
那么到目前為止已成功創(chuàng)建了 socket，接下來我們將用這個 socket 來連接某個服務(wù)器，就連 www.google.com 吧。
連接服務(wù)器
本文開始也提到了，socket 使用 (IP地址，協(xié)議，端口號) 來標識一個進程，那么我們要想和服務(wù)器進行通信，就需要知道它的 IP地址以及端口號。
獲得遠程主機的 IP 地址
Python 提供了一個簡單的函數(shù) socket.gethostbyname 來獲得遠程主機的 IP 地址：
host = 'www.google.com' port = 80 try: remote_ip = socket.gethostbyname( host ) except socket.gaierror: #could not resolve print 'Hostname could not be resolved. Exiting' sys.exit() print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip
現(xiàn)在我們知道了服務(wù)器的 IP 地址，就可以使用連接函數(shù) connect 連接到該 IP 的某個特定的端口上了，下面例子連接到 80 端口上（是 HTTP 服務(wù)的默認端口）：
#Connect to remote server s.connect((remote_ip , port)) print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip
運行該程序：
$ python client.py Socket created Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145 Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145
發(fā)送數(shù)據(jù)
上面說明連接到 www.google.com 已經(jīng)成功了，接下面我們可以向服務(wù)器發(fā)送一些數(shù)據(jù)，例如發(fā)送字符串GET / HTTP/1.1\r\n\r\n，這是一個 HTTP 請求網(wǎng)頁內(nèi)容的命令。
#Send some data to remote server message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n" try : #Set the whole string s.sendall(message) except socket.error: #Send failed print 'Send failed' sys.exit() print 'Message send successfully'
發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，客戶端還需要接受服務(wù)器的響應(yīng)。
接收數(shù)據(jù)
函數(shù) recv 可以用來接收 socket 的數(shù)據(jù)：
#Now receive data reply = s.recv(4096) print reply
一起運行的結(jié)果如下：
Socket created Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145 Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145 Message send successfully HTTP/1.1 302 Found Cache-Control: private Content-Type: text/html; charset=UTF-8 Location: http://www.google.com.sg/?gfe_rd=cr&ei=PlqJVLCREovW8gfF0oG4CQ Content-Length: 262 Date: Thu, 11 Dec 2014 08:47:58 GMT Server: GFE/2.0 Alternate-Protocol: 80:quic,p=0.02 <HTML><HEAD><meta http-equiv="content-type" content="text/html;charset=utf-8"> <TITLE>302 Moved</TITLE></HEAD><BODY> <H1>302 Moved</H1> The document has moved <A >here</A>. </BODY></HTML>
關(guān)閉 socket
當我們不想再次請求服務(wù)器數(shù)據(jù)時，可以將該 socket 關(guān)閉，結(jié)束這次通信：
s.close()
小結(jié)
上面我們學到了如何：
- 創(chuàng)建 socket
- 連接到遠程服務(wù)器
- 發(fā)送數(shù)據(jù)
- 接收數(shù)據(jù)
- 關(guān)閉 socket
當我們打開www.google.com 時，瀏覽器所做的就是這些，知道這些是非常有意義的。在 socket 中具有這種行為特征的被稱為CLIENT，客戶端主要是連接遠程系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。
socket 中另一種行為稱為SERVER，服務(wù)器使用 socket 來接收連接以及提供數(shù)據(jù)，和客戶端正好相反。所以 www.google.com 是服務(wù)器，你的瀏覽器是客戶端，或者更準確地說，www.google.com 是 HTTP 服務(wù)器，你的瀏覽器是 HTTP 客戶端。
那么上面介紹了客戶端的編程，現(xiàn)在輪到服務(wù)器端如果使用 socket 了。
二、服務(wù)器端編程
服務(wù)器端主要做以下工作：
- 打開 socket
- 綁定到特定的地址以及端口上
- 監(jiān)聽連接
- 建立連接
- 接收/發(fā)送數(shù)據(jù)
上面已經(jīng)介紹了如何創(chuàng)建 socket 了，下面一步是綁定。
綁定socket
函數(shù) bind 可以用來將 socket 綁定到特定的地址和端口上，它需要一個 sockaddr_in 結(jié)構(gòu)作為參數(shù)：
import socket import sys HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) print 'Socket created' try: s.bind((HOST, PORT)) except socket.error , msg: print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1] sys.exit() print 'Socket bind complete'
綁定完成之后，接下來就是監(jiān)聽連接了。
監(jiān)聽連接
函數(shù) listen 可以將 socket 置于監(jiān)聽模式：
s.listen(10) print 'Socket now listening'
該函數(shù)帶有一個參數(shù)稱為 backlog，用來控制連接的個數(shù)。如果設(shè)為 10，那么有 10 個連接正在等待處理，此時第 11 個請求過來時將會被拒絕。
接收連接
當有客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請求時，服務(wù)器會接收連接：
#wait to accept a connection - blocking call conn, addr = s.accept() #display client information print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
運行該程序的，輸出結(jié)果如下：
$ python server.py Socket created Socket bind complete Socket now listening
此時，該程序在 8888 端口上等待請求的到來。不要關(guān)掉這個程序，讓它一直運行，現(xiàn)在客戶端可以通過該端口連接到 socket。我們用 telnet 客戶端來測試，打開一個終端，輸入 telnet localhost 8888：
$ telnet localhost 8888 Trying 127.0.0.1... Connected to localhost. Escape character is '^]'. Connection closed by foreign host.
這時服務(wù)端輸出會顯示：
$ python server.py Socket created Socket bind complete Socket now listening Connected with 127.0.0.1:59954
我們觀察到客戶端已經(jīng)連接上服務(wù)器了。在建立連接之后，我們可以用來與客戶端進行通信。下面例子演示的是，服務(wù)器建立連接之后，接收客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并立即將數(shù)據(jù)發(fā)送回去，下面是完整的服務(wù)端程序：
import socket import sys HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) print 'Socket created' try: s.bind((HOST, PORT)) except socket.error , msg: print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1] sys.exit() print 'Socket bind complete' s.listen(10) print 'Socket now listening' #wait to accept a connection - blocking call conn, addr = s.accept() print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1]) #now keep talking with the client data = conn.recv(1024) conn.sendall(data) conn.close() s.close()
在一個終端中運行這個程序，打開另一個終端，使用 telnet 連接服務(wù)器，隨便輸入字符串，你會看到：
$ telnet localhost 8888 Trying 127.0.0.1... Connected to localhost. Escape character is '^]'. happy happy Connection closed by foreign host.
客戶端（telnet）接收了服務(wù)器的響應(yīng)。
我們在完成一次響應(yīng)之后服務(wù)器立即斷開了連接，而像www.google.com 這樣的服務(wù)器總是一直等待接收連接的。我們需要將上面的服務(wù)器程序改造成一直運行，最簡單的辦法是將accept 放到一個循環(huán)中，那么就可以一直接收連接了。
保持服務(wù)
我們可以將代碼改成這樣讓服務(wù)器一直工作：
import socket
import sys
HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 5000 # Arbitrary non-privileged port
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'
try:
s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
sys.exit()
print 'Socket bind complete'
s.listen(10)
print 'Socket now listening'
#now keep talking with the client
while 1:
#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()
print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
data = conn.recv(1024)
reply = 'OK...' + data
if not data:
break
conn.sendall(reply)
conn.close()
s.close()
現(xiàn)在在一個終端下運行上面的服務(wù)器程序，再開啟三個終端，分別用 telnet 去連接，如果一個終端連接之后不輸入數(shù)據(jù)其他終端是沒辦法進行連接的，而且每個終端只能服務(wù)一次就斷開連接。這從代碼上也是可以看出來的。
這顯然也不是我們想要的，我們希望多個客戶端可以隨時建立連接，而且每個客戶端可以跟服務(wù)器進行多次通信，這該怎么修改呢？
處理連接
為了處理每個連接，我們需要將處理的程序與主程序的接收連接分開。一種方法可以使用線程來實現(xiàn)，主服務(wù)程序接收連接，創(chuàng)建一個線程來處理該連接的通信，然后服務(wù)器回到接收其他連接的邏輯上來。
import socket
import sys
from thread import *
HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'
#Bind socket to local host and port
try:
s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
sys.exit()
print 'Socket bind complete'
#Start listening on socket
s.listen(10)
print 'Socket now listening'
#Function for handling connections. This will be used to create threads
def clientthread(conn):
#Sending message to connected client
conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string
#infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.
while True:
#Receiving from client
data = conn.recv(1024)
reply = 'OK...' + data
if not data:
break
conn.sendall(reply)
#came out of loop
conn.close()
#now keep talking with the client
while 1:
#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()
print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
#start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.
start_new_thread(clientthread ,(conn,))
s.close()
再次運行上面的程序，打開三個終端來與主服務(wù)器建立 telnet 連接，這時候三個客戶端可以隨時接入，而且每個客戶端可以與主服務(wù)器進行多次通信。
telnet 終端下可能輸出如下：
$ telnet localhost 8888 Trying 127.0.0.1... Connected to localhost. Escape character is '^]'. Welcome to the server. Type something and hit enter hi OK...hi asd OK...asd cv OK...cv
要結(jié)束 telnet 的連接，按下 Ctrl-] 鍵，再輸入 close 命令。
服務(wù)器終端的輸出可能是這樣的：
$ python server.py Socket created Socket bind complete Socket now listening Connected with 127.0.0.1:60730 Connected with 127.0.0.1:60731
到目前為止，我們學習了Python 下基本的socket 編程，之后還有相關(guān)文章向大家介紹，不要走開。
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