第十七章 Python网络编程

Socket简介

在网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个链接的一端称为一个Socket（套接字），用于描述IP地址和端口。

建立网络通信连接至少要一对端口号（Socket），Socket本质是编程接口（api），对tcp/IP的封装，提供了网络通信能力。

每种服务都打开一个Socket，并绑定到端口上，不同的端口对应不同的服务，就像Http对应80端口。

Socket是面向C/S（客户端/服务器）模型设计，客户端在本地随机申请一个唯一的Socket号，服务器拥有公开的socket，任何客户端都可以向它发送连接请求和信息请求。

比如：用手机打电话给10086客服，你的手机号就是客户端，10086客服是服务端。必须在知道对方电话号码前提下才能与对方通讯。

Socket数据处理流程如图：

17.1 socket

在python中提供此服务的模块是socket和SocketServer，下面是socket常用的类、方法：

socket.socket()对象有以下方法：

温习下TCP与UDP区别：

TCP和UDP是OSI七层模型中传输层提供的协议，提供可靠端到端的传输服务。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议），面向连接协议，双方先建立可靠的连接，再发送数据。适用于可靠性要求高的应用场景。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议），面向非连接协议，不与对方建立连接，直接将数据包发送给对方，因此相对TCP传输速度快 。适用于可靠性要求低的应用场景。

17.1.1 TCP编程

下面创建一个服务端TCP协议的Socket演示下。

先写一个服务端：

#!/usr/bin/Python
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket
HOST = ''                 # 为空代表所有可用的网卡
PORT = 50007              # 任意非特权端口
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))
s.listen(1)   # 最大连接数
conn, addr = s.accept()   # 返回客户端地址
print 'Connected by', addr
while 1:
    data = conn.recv(1024)   # 每次最大接收客户端发来数据1024字节
    if not data: break       # 当没有数据就退出死循环 
    print "Received: ", data # 打印接收的数据
    conn.sendall(data)       # 把接收的数据再发给客户端
conn.close()

再写一个客户端：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket
HOST = '192.168.1.120'    # 远程主机IP
PORT = 50007              # 远程主机端口
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))
s.sendall('Hello, world') # 发送数据
data = s.recv(1024)       # 接收服务端发来的数据
s.close()
print 'Received: ', data

写好后，打开一个终端窗口执行：

# python socket-server.py
监听中...
# 直到客户端运行会接收到下面数据并退出
Connected by ('192.168.1.120', 37548)
Received:  Hello, world

再打开一个终端窗口执行：

# 如果端口监听说明服务端运行正常

# netstat -antp |grep 50007
tcp        0      0 0.0.0.0:50007           0.0.0.0:*               LISTEN      72878/python
# python socket-client.py
Received： Hello, world

通过实验了解搭到Socket服务端工作有以下几个步骤：

1）打开socket

2）绑定到一个地址和端口

3）监听进来的连接

4）接受连接

5）处理数据

17.1.2 UDP编程

服务端：

import socket
HOST = ''               
PORT = 50007             
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind((HOST, PORT))
while 1:
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print 'Connected by', addr
    print "Received: ", data
    s.sendto("Hello %s"% repr(addr), addr)
conn.close()

客户端：

import socket
HOST = '192.168.1.99'                 
PORT = 50007             
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.sendto(data, (HOST, PORT))
data = s.recv(1024)
s.close()
print 'Received: ', data

运行方式与TCP编程一样。

使用UDP协议时，服务端就少了listen()和accept()，不需要建立连接就直接接收客户端的数据，也是把数据直接发送给客户端。

客户端少了connect()，同样直接通过sendto()给服务器发数据。

而TCP协议则前提先建立三次握手。

17.1.3 举一个更直观的socket通信例子

客户端发送bash命令，服务端接收到并执行，把返回结果回应给客户端。

服务端：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import sys
import subprocess
import socket
HOST = ''               
PORT = 50007             
try:
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    s.bind((HOST, PORT))
    s.listen(1)
except socket.error as e:
    s.close()
    print e
    sys.exit(1)
while 1:
    conn, addr = s.accept()
    print 'Connected by', addr
    while 1:
        # 每次读取1024字节
        data = conn.recv(1024)
        if not data: # 客户端关闭服务端会收到一个空数据
            print repr(addr) + " close."
            conn.close()
            break     
        print "Received: ", data
        cmd = subprocess.Popen(data, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, shell=True)
        result_tuple = cmd.communicate()
        if cmd.returncode != 0 or cmd.returncode == None:
            result = result_tuple[1]
            # result = cmd.stderr.read()
        else:
            result = result_tuple[0]
            # result = cmd.stdout.read()  # 读不到标准输出，不知道为啥，所以不用
        if result:
            conn.sendall(result)
        else:
            conn.sendall("return null")
s.close()

客户端：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import sys
import socket
HOST = '192.168.1.120'   
PORT = 50007             
try:
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    s.connect((HOST, PORT))
except socket.error as e:
    s.close()
    print e
    sys.exit(1)
while 1:
    cmd = raw_input("Please input command: ")
    if not cmd: continue
    s.sendall(cmd)
    recv_data = s.recv(1024)
    print 'Received: ', recv_data
s.close()

查看运行效果，先运行服务端，再运行客户端：

# python socket-server.py
Connected by ('192.168.1.120', 45620)
Received:  ls
Received:  touch a.txt
Received:  ls

# python socket-client.py
Please input command: ls
Received: 
socket-client.py
socket-server.py
Please input command: touch a.txt
Received:  return null
Please input command: ls
Received: 
a.txt
socket-client.py
socket-server.py
Please input command:

我想通过上面这个例子你已经大致掌握了socket的通信过程。

再举一个例子，通过socket获取本机网卡IP：

>>> socket.gethostname()
'ubuntu'
>>> socket.gethostbyname(socket.gethostname())
'127.0.1.1'
>>> s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
>>> s.connect(('10.255.255.255', 0))
>>> s.getsockname()
('192.168.1.120', 35765)
>>> s.getsockname()[0]
'192.168.1.120'

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17.2 SocketServer

ScoketServer是Socket服务端库，比socket库更高级，实现了多线程和多线程，并发处理多个客户端请求。

下面是几个常用的类：

SocketServer.BaseServer()对象有以下方法：

创建一个服务器需要几个步骤：

1）创建类，继承请求处理类（BaseRequestHandler），并重载其handle()方法，此方法将处理传入的请求

2）实例化服务器类之一，它传递服务器的地址和请求处理程序类

3）调用handle_request()或serve_forever()服务器对象的方法来处理一个或多个请求

4）调用server_close()关闭套接字

17.2.1 TCP编程

服务端：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*
import SocketServer
class MyTCPHandler(SocketServer.BaseRequestHandler):
    """
    请求处理程序类。
    每个连接到服务器都要实例化一次，而且必须覆盖handle()方法来实现与客户端通信
    """
    def handle(self):
        # self.request 接收客户端数据
        self.data = self.request.recv(1024).strip()
        print "%s wrote:" % (self.client_address[0])
        print self.data
        # 把接收的数据转为大写发给客户端
        self.request.sendall(self.data.upper())
if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "localhost", 9999
    # 创建服务器并绑定本地地址和端口
    server = SocketServer.TCPServer((HOST, PORT), MyTCPHandler)
    # 激活服务器，会一直运行，直到Ctrl-C中断
    server.serve_forever()

另一个请求处理程序类，利用流（类文件对象简化通信提供标准文件接口）：

class MyTCPHandler(SocketServer.StreamRequestHandler):
    def handle(self):
        # self.rfile创建的是一个类文件对象处理程序，就可以调用readline()而不是recv()
        self.data = self.rfile.readline().strip()
        print "%s wrote:" % (self.client_address[0])
        print self.data
        # 同样，self.wfile是一个类文件对象，用于回复客户端
        self.wfile.write(self.data.upper())

客户端：

import socket
import sys
HOST, PORT = "localhost", 9999
data = " ".join(sys.argv[1:])
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
try:
    sock.connect((HOST, PORT))
    sock.sendall(data + "\n")
    received = sock.recv(1024)
finally:
    sock.close()
print "Sent: %s" % data
print "Received: %s" % received

服务端结果：

# python TCPServer.py
127.0.0.1 wrote:
hello
127.0.0.1 wrote:
nice

客户端结果：

# python TCPClient.py hello
Sent: hello
Received: HELLO
# python TCPClient.py nice
Sent: nice
Received: NICE

17.2.2 UDP编程

服务端：

import SocketServer
class MyTCPHandler(SocketServer.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        self.data = self.request[0].strip()
        self.socket = self.request[1]
        print "%s wrote:" % (self.client_address[0])
        print self.data
        self.socket.sendto(self.data.upper(), self.client_address)
if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "localhost", 9999
    server = SocketServer.UDPServer((HOST, PORT), MyTCPHandler)
    server.serve_forever()

客户端：

import socket
import sys
HOST, PORT = "localhost", 9999
data = " ".join(sys.argv[1:])
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto(data + "\n", (HOST, PORT))
received = sock.recv(1024)
print "Sent: %s" % data
print "Received: %s" % received

与TCP执行结果一样。

17.2.3 异步混合

创建异步处理，使用ThreadingMixIn和ForkingMixIn类。

ThreadingMixIn类的一个例子：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*
import socket
import threading
import SocketServer
class ThreadedTCPRequestHandler(SocketServer.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        data = self.request.recv(1024)
        cur_thread = threading.current_thread()
        response = "%s: %s" % (cur_thread.name, data)
        self.request.sendall(response)
class ThreadedTCPServer(SocketServer.ThreadingMixIn, SocketServer.TCPServer):
    pass
def client(ip, port, message):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect((ip, port))
    try:
        sock.sendall(message)
        response = sock.recv(1024)
        print "Received: %s" % response
    finally:
        sock.close()
if __name__ == "__main__":
    # 端口0意味着随机使用一个未使用的端口
    HOST, PORT = "localhost", 0
    server = ThreadedTCPServer((HOST, PORT), ThreadedTCPRequestHandler)
    ip, port = server.server_address
    # 服务器启动一个线程，该线程将开始。每个线程处理每个请求
    server_thread = threading.Thread(target=server.serve_forever)
    # 作为守护线程
    server_thread.daemon = True
    server_thread.start()
    print "Server loop running in thread:", server_thread.name
    client(ip, port, "Hello World 1")
    client(ip, port, "Hello World 2")
    client(ip, port, "Hello World 3")
    server.shutdown()
      server.server_close()

# python socket-server.py
Server loop running in thread: Thread-1
Received: Thread-2: Hello World 1
Received: Thread-3: Hello World 2
Received: Thread-4: Hello World 3