TCP编程

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络链接”，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。 ### 客户端 大多数连接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器。 举个例子，当我们在浏览器中访问新浪时，我们自己的计算机就是客户端，浏览器会主动向新浪的服务器发起连接。如果一切顺利，新浪的服务器接受了我们的连接，一个TCP连接就建立起来的，后面的通信就是发送网页内容了。 所以，我们要创建一个基于TCP连接的Socket，可以这样做： ~~~ # 导入socket库: import socket # 创建一个socket: s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立连接: s.connect(('www.sina.com.cn', 80)) ~~~ 创建`Socket`时，`AF_INET`指定使用IPv4协议，如果要用更先进的IPv6，就指定为`AF_INET6`。`SOCK_STREAM`指定使用面向流的TCP协议，这样，一个`Socket`对象就创建成功，但是还没有建立连接。 客户端要主动发起TCP连接，必须知道服务器的IP地址和端口号。新浪网站的IP地址可以用域名`www.sina.com.cn`自动转换到IP地址，但是怎么知道新浪服务器的端口号呢？ 答案是作为服务器，提供什么样的服务，端口号就必须固定下来。由于我们想要访问网页，因此新浪提供网页服务的服务器必须把端口号固定在`80`端口，因为`80`端口是Web服务的标准端口。其他服务都有对应的标准端口号，例如SMTP服务是`25`端口，FTP服务是`21`端口，等等。端口号小于1024的是Internet标准服务的端口，端口号大于1024的，可以任意使用。 因此，我们连接新浪服务器的代码如下： ~~~ s.connect(('www.sina.com.cn', 80)) ~~~ 注意参数是一个`tuple`，包含地址和端口号。 建立TCP连接后，我们就可以向新浪服务器发送请求，要求返回首页的内容： ~~~ # 发送数据: s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n') ~~~ TCP连接创建的是双向通道，双方都可以同时给对方发数据。但是谁先发谁后发，怎么协调，要根据具体的协议来决定。例如，HTTP协议规定客户端必须先发请求给服务器，服务器收到后才发数据给客户端。 发送的文本格式必须符合HTTP标准，如果格式没问题，接下来就可以接收新浪服务器返回的数据了： ~~~ # 接收数据: buffer = [] while True: # 每次最多接收1k字节: d = s.recv(1024) if d: buffer.append(d) else: break data = b''.join(buffer) ~~~ 接收数据时，调用`recv(max)`方法，一次最多接收指定的字节数，因此，在一个while循环中反复接收，直到`recv()`返回空数据，表示接收完毕，退出循环。 当我们接收完数据后，调用`close()`方法关闭Socket，这样，一次完整的网络通信就结束了： ~~~ # 关闭连接: s.close() ~~~ 接收到的数据包括HTTP头和网页本身，我们只需要把HTTP头和网页分离一下，把HTTP头打印出来，网页内容保存到文件： ~~~ header, html = data.split(b'\r\n\r\n', 1) print(header.decode('utf-8')) # 把接收的数据写入文件: with open('sina.html', 'wb') as f: f.write(html) ~~~ 现在，只需要在浏览器中打开这个`sina.html`文件，就可以看到新浪的首页了。 ### 服务器 和客户端编程相比，服务器编程就要复杂一些。 服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立Socket连接，随后的通信就靠这个Socket连接了。 所以，服务器会打开固定端口（比如80）监听，每来一个客户端连接，就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接，所以，服务器要能够区分一个Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项：服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket。 但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求，所以，每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理，否则，服务器一次就只能服务一个客户端了。 我们来编写一个简单的服务器程序，它接收客户端连接，把客户端发过来的字符串加上`Hello`再发回去。 首先，创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket： ~~~ s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) ~~~ 然后，我们要绑定监听的地址和端口。服务器可能有多块网卡，可以绑定到某一块网卡的IP地址上，也可以用`0.0.0.0`绑定到所有的网络地址，还可以用`127.0.0.1`绑定到本机地址。`127.0.0.1`是一个特殊的IP地址，表示本机地址，如果绑定到这个地址，客户端必须同时在本机运行才能连接，也就是说，外部的计算机无法连接进来。 端口号需要预先指定。因为我们写的这个服务不是标准服务，所以用`9999`这个端口号。请注意，小于`1024`的端口号必须要有管理员权限才能绑定： ~~~ # 监听端口: s.bind(('127.0.0.1', 9999)) ~~~ 紧接着，调用`listen()`方法开始监听端口，传入的参数指定等待连接的最大数量： ~~~ s.listen(5) print('Waiting for connection...') ~~~ 接下来，服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接，`accept()`会等待并返回一个客户端的连接: ~~~ while True: # 接受一个新连接: sock, addr = s.accept() # 创建新线程来处理TCP连接: t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr)) t.start() ~~~ 每个连接都必须创建新线程（或进程）来处理，否则，单线程在处理连接的过程中，无法接受其他客户端的连接： ~~~ def tcplink(sock, addr): print('Accept new connection from %s:%s...' % addr) sock.send(b'Welcome!') while True: data = sock.recv(1024) time.sleep(1) if not data or data.decode('utf-8') == 'exit': break sock.send(('Hello, %s!' % data).encode('utf-8')) sock.close() print('Connection from %s:%s closed.' % addr) ~~~ 连接建立后，服务器首先发一条欢迎消息，然后等待客户端数据，并加上`Hello`再发送给客户端。如果客户端发送了`exit`字符串，就直接关闭连接。 要测试这个服务器程序，我们还需要编写一个客户端程序： ~~~ s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立连接: s.connect(('127.0.0.1', 9999)) # 接收欢迎消息: print(s.recv(1024).decode('utf-8')) for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']: # 发送数据: s.send(data) print(s.recv(1024).decode('utf-8')) s.send(b'exit') s.close() ~~~ 我们需要打开两个命令行窗口，一个运行服务器程序，另一个运行客户端程序，就可以看到效果了：  需要注意的是，客户端程序运行完毕就退出了，而服务器程序会永远运行下去，必须按Ctrl+C退出程序。 ### 小结 用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单，对于客户端，要主动连接服务器的IP和指定端口，对于服务器，要首先监听指定端口，然后，对每一个新的连接，创建一个线程或进程来处理。通常，服务器程序会无限运行下去。 同一个端口，被一个Socket绑定了以后，就不能被别的Socket绑定了。 ### 参考源码 [do_tcp.py](https://github.com/michaelliao/learn-python3/blob/master/samples/socket/do_tcp.py)