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网络编程库——Socket库

2023/3/14 Python库学习 Python 开发

壹 简介

1.1 为什么要用Socekt？

有一个问题，网络中进程之间如何通信？
本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类（这里这些可以不用理解）：

  • 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
  • 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
  • 共享内存（匿名的和具名的）
  • 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC） 但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的ip地址可以唯一标识网络中的主机，而传输层的协议+端口可以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了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

要搞清楚Sockert是什么首先我们需要明白一些概念：

  • TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
  • UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。

这里有一张图，表明了这些协议的关系。TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。
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注意：在这里Socket确实是不在这些协议层里面的，而是本人为了理解Socket加上去的！！！

1.2 Socket是什么呢？

理解：用发快递打比方。在A地的A要寄一个物品给在B地的B。选择一个快递公司，就是选择了一种传输物品的规范。 因为不同的快递公司传输物品的具体方案不同。A作为一个 寄件人， 他不需要知道快递公司传输物品的方案的所有细节 。他只要知道如何把物品给快递公司上门的收件人，就行了。B作为一个收件人， 他也不需要知道快递公司传输物品的方案的所有细节。他只要知道，如何从快递公司的收件人 收物品 就行了。
对应到 软件开发上，收发信息的 程序进程 就像 发件人 和 收件人 ；收发的 信息 就像 快递传输的 物品 ；具体信息的传输路径（中间经过哪些路由器）和传输的方法（使用什么协议）就像 快递公司的运输流程。
同样的，我们编写 发出信息的程序和接收信息的程序，并不需要知道 信息传输的所有细节，比如 中间经过哪些路由器，路由器之间又是如何传输的。我们作为程序员，只要知道，我们的程序如何把 所要发送的信息交给 ‘收件人’， 如何从 ‘送件人’ 手中获取信息。那么和我们的应用程序直接打交道的 ‘收件人’ 和 ‘送件人’ 到底是谁？就是操作系统 提供的 socket 编程接口。

Socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，对于文件用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些Socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），Socket是应用层与TCP/IP协议族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。基本上，Socket 是任何一种计算机网络通讯中最基础的内容。任何网络通讯都是通过 Socket 来完成的。

socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

就是可以理解为：两个进程，跨计算机，他俩需要通讯的话，需要通过网络对接起来。这网络对接通信的过程就是socket。

1.3 那要怎么用Socket呢？

首先要明白Socket编程是用来简化网络间通信的，而网络间的通信是非常复杂的一个过程，Socket就是将这些过程简化了。

首先我们来理解Socket编程原理。

这是Socket编程原理图：
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由上图可知，Socket包括两个：服务器Socket和客户机Socket

  • 服务器Socket：创建一个服务器套接字后，让它等待连接。这样它就在某个网络地址处监听。
  • 客户机Socket：处理客户端套接字比处理服务器套接字简单，因为服务器套接字必须准备随时处理客户端的连接，同时还要处理多个连接，而客户机只是地连接，完成事务，断开连接。

贰 安装

Socket库是标准库，所以不需要安装！此处路过！

叁 Socket的基本操作

既然Socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.1 Socket类型

Socket类型是在初始化Socket时使用的。

socket类型 描述
socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信
socket.AF_INET 该socket网络层使用IP协议,IPV4
socket.AF_INET6 IPv6
socket.SOCK_STREAM 该socket传输层使用TCP协议
socket.SOCK_DGRAM 该socket传输层使用UDP协议
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

3.2 Socket函数

注意点:
1）TCP发送数据时，已建立好TCP连接，所以不需要指定地址。UDP是面向无连接的，每次发送要指定是发给谁。
2）服务端与客户端不能直接发送列表，元组，字典。需要字符串化repr(data)。

3.2.1 socket()函数:初始

作用：socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。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。
格式：

socket(family,type[,protocal])

参数说明：

  • family：表示使用给定的地址族，例如IPV4、IPV6等。
  • type：为套接字类型，例如：TCP或者UDP等。
  • protocal：协议编号，默认为0，例如ICMP、ARP等。

在创建Socket时，分为TCP和UDP两种：

  • 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)
    注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

3.2.2 bind()函数:服务端

作用：将套接字绑定到地址。

格式：

s.bind(address)

参数说明：

  • address：将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族，在AF_INET下，以元组（host,port）的形式表示地址。

3.2.3 listen()函数:服务端

作用：开始监听TCP传入连接。作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听socket。

格式：

s.listen(backlog)

参数说明：

  • backlog：是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。

socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen()函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求

3.2.4 accept()函数:服务端

作用：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。

格式：

s.accept()

3.2.5 connect()函数:客户端

作用：主动初始化 TCP 服务器连接，连接到address处的套接字，客户端调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

格式：

s.connect(address)

参数说明：

  • address：服务端地址，一般address的格式为元组（hostname,port），如果连接出错，返回socket.error错误

客户端通过调用connect()函数来建立与TCP服务器的连接

3.2.6 connect_ex()函数:客户端

作用：connect() 函数的扩展版本，出错时返回出错码，而不是抛出异常。

格式：

s.connect_ex(address)

参数说明：

  • address：服务端地址，一般address的格式为元组（hostname,port），如果连接出错，返回出错码，而不是抛出异常。

3.2.7 recv()函数:公共

作用：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。

格式：

s.recv(bufsize[,flag])

参数说明：

  • 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。

3.2.8 send()函数:公共

作用：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。

格式：

s.send(string[,flag])

参数说明：

  • string：发送到连接的套接字的数据。
  • flag：提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。

3.2.9 sendall()函数:公共

作用：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。

格式：

s.sendall(string[,flag])

参数说明：

  • string：发送到连接的套接字的数据。
  • flag：提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。

3.2.10 recvfrom()函数:公共

作用：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。

格式：

s.recvfrom(bufsize[.flag])

参数说明：

  • 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。

3.2.11 sendto()函数:公共

作用：发送UDP数据。将数据发送到套接字，返回值是发送的字节数。

格式：

s.sendto(string[,flag],address)

参数说明：

  • string：发送到连接的套接字的数据。
  • flag：提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
  • address：形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址

3.2.12 close()函数:公共

作用：关闭套接字。

格式：

s.close()

3.2.13 getpeername()函数:公共

作用：返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。

格式：

s.getpeername()

3.2.14 getsockname()函数:公共

作用：返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)。

格式：

s.getsockname()

3.2.15 setsockopt()函数:公共

作用：设置给定套接字选项的值，默认的socket选项不够用的时候，就必须要使用setsockopt来调整。

格式：

s.setsockopt(level,optname,value)

参数说明：

  • level：选项定义的层次。支持SOL_SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP和IPPROTO_IPV6。
  • optname：需设置的选项。
  • value：设置选项的值。

3.2.16 getsockopt()函数:公共

作用：返回套接字选项的值。

格式：

s.getsockopt(level,optname[.buflen])

3.2.17 settimeout()函数:公共

作用：设置套接字操作的超时期，

格式：

s.settimeout(timeout)

参数说明：

  • timeout：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()）

3.2.18 gettimeout()函数:公共

作用：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。

格式：

s.gettimeout()

3.2.19 fileno()函数:公共

作用：返回套接字的文件描述符。

格式：

s.fileno()

3.2.20 setblocking()函数:公共

作用：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。

格式：

s.setblocking(flag)

参数说明：

  • flag：判断套接字是不是为阻塞模式。

3.2.21 makefile()函数:公共

作用：创建一个与该套接字相关连的文件

格式：

s.makefile()

肆 Socket编程思路

这里讲述TCP套接字编程过程：

4.1 TCP服务端

1、创建套接字，绑定套接字到本地IP与端口

s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.bind((IP, PORT))

2、开始监听连接

s.listen(num)

3、进入循环，不断接受客户端的连接请求

s.accept()

4、然后接收传来的数据，并发送给对方数据

s.recv(BUFLEN)
s.sendall()

5、传输完毕后，关闭套接字

s.close()

4.2 TCP客户端

1、创建套接字，连接远端地址

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

2、连接后发送数据和接收数据

s.sendall()
s.recv()

3、传输完毕后，关闭套接字

s.close()

伍 例子

5.1 简单使用

需要客户端、服务端两个脚本：

#  === TCP 服务端程序 server.py ===

# 导入socket 库
from socket import *

# 主机地址为空字符串，表示绑定本机所有网络接口ip地址
# 等待客户端来连接
IP = '127.0.0.1'
# 端口号
PORT = 50000
# 定义一次从socket缓冲区最多读入512个字节数据
BUFLEN = 512

# 实例化一个socket对象
# 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议
# 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用TCP协议
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# socket绑定地址和端口
listenSocket.bind((IP, PORT))


# 使socket处于监听状态，等待客户端的连接请求
# 参数 8 表示 最多接受多少个等待连接的客户端
listenSocket.listen(8)
print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')

dataSocket, addr = listenSocket.accept()
print('接受一个客户端连接:', addr)

while True:
    # 尝试读取对方发送的消息
    # BUFLEN 指定从接收缓冲里最多读取多少字节
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)

    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    # 退出循环，结束消息收发
    if not recved:
        break

    # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串
    info = recved.decode()
    print(f'收到对方信息： {info}')

    # 发送的数据类型必须是bytes，所以要编码
    dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())

# 服务端也调用close()关闭socket
dataSocket.close()
listenSocket.close()

#  === TCP 客户端程序 client.py ===

from socket import *

IP = '127.0.0.1'
SERVER_PORT = 50000
BUFLEN = 1024

# 实例化一个socket对象，指明协议
dataSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 连接服务端socket
dataSocket.connect((IP, SERVER_PORT))

while True:
    # 从终端读入用户输入的字符串
    toSend = input('>>> ')
    if  toSend =='exit':
        break
    # 发送消息，也要编码为 bytes
    dataSocket.send(toSend.encode())

    # 等待接收服务端的消息
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)
    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    if not recved:
        break
    # 打印读取的信息
    print(recved.decode())

dataSocket.close()

5.2 项目

下面使关于Socket应用的项目：Socket进行文件的传输

陆 参考

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