網(wǎng)絡(luò)編程

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是把各個(gè)計(jì)算機(jī)連接到一起，讓網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)可以互相通信。網(wǎng)絡(luò)編程就是如何在程序中實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的通信。
更確切地說，網(wǎng)絡(luò)通信是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程之間的通信。比如，瀏覽器進(jìn)程和新浪服務(wù)器上的某個(gè)Web服務(wù)進(jìn)程在通信，而QQ進(jìn)程是和騰訊的某個(gè)服務(wù)器上的某個(gè)進(jìn)程在通信。
用Python進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，就是在Python程序本身這個(gè)進(jìn)程內(nèi)，連接別的服務(wù)器進(jìn)程的通信端口進(jìn)行通信。
本章我們將詳細(xì)介紹Python網(wǎng)絡(luò)編程的概念和最主要的兩種網(wǎng)絡(luò)類型的編程。

TCP/IP簡介

為了把全世界的所有不同類型的計(jì)算機(jī)都連接起來，就必須規(guī)定一套全球通用的協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)目標(biāo)，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇（Internet Protocol Suite）就是通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。有了Internet，任何私有網(wǎng)絡(luò)，只要支持這個(gè)協(xié)議，就可以聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)。
因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議包含了上百種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但是最重要的兩個(gè)協(xié)議是TCP和IP協(xié)議，所以，大家把互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議簡稱TCP/IP協(xié)議。
通信的時(shí)候，雙方必須知道對(duì)方的標(biāo)識(shí)。互聯(lián)網(wǎng)上每個(gè)計(jì)算機(jī)的唯一標(biāo)識(shí)就是IP地址。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)接入到兩個(gè)或更多的網(wǎng)絡(luò)，比如路由器，它就會(huì)有兩個(gè)或多個(gè)IP地址，所以，IP地址對(duì)應(yīng)的實(shí)際上是計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口，通常是網(wǎng)卡。
IP協(xié)議負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)被分割成一小塊一小塊，然后通過IP包發(fā)送出去。由于互聯(lián)網(wǎng)鏈路復(fù)雜，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間經(jīng)常有多條線路，因此，路由器就負(fù)責(zé)決定如何把一個(gè)IP包轉(zhuǎn)發(fā)出去。IP包的特點(diǎn)是按塊發(fā)送，途徑多個(gè)路由，但不保證能到達(dá)，也不保證順序到達(dá)。

IP地址實(shí)際上是一個(gè)32位整數(shù)（稱為IPv4），以字符串表示的IP地址如192.168.0.1實(shí)際上是把32位整數(shù)按8位分組后的數(shù)字表示，目的是便于閱讀。
IPv6地址實(shí)際上是一個(gè)128位整數(shù)，它是目前使用的IPv4的升級(jí)版，以字符串表示類似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334。
TCP協(xié)議則是建立在IP協(xié)議之上的。TCP協(xié)議負(fù)責(zé)在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間建立可靠連接，保證數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)。TCP協(xié)議會(huì)通過握手建立連接，然后，對(duì)每個(gè)IP包編號(hào)，確保對(duì)方按順序收到，如果包丟掉了，就自動(dòng)重發(fā)。
許多常用的更高級(jí)的協(xié)議都是建立在TCP協(xié)議基礎(chǔ)上的，比如用于瀏覽器的HTTP協(xié)議、發(fā)送郵件的SMTP協(xié)議等。
一個(gè)TCP報(bào)文除了包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)外，還包含源IP地址和目標(biāo)IP地址，源端口和目標(biāo)端口。
端口有什么作用？在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信時(shí)，只發(fā)IP地址是不夠的，因?yàn)橥慌_(tái)計(jì)算機(jī)上跑著多個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序。一個(gè)TCP報(bào)文來了之后，到底是交給瀏覽器還是QQ，就需要端口號(hào)來區(qū)分。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序都向操作系統(tǒng)申請(qǐng)唯一的端口號(hào)，這樣，兩個(gè)進(jìn)程在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間建立網(wǎng)絡(luò)連接就需要各自的IP地址和各自的端口號(hào)。
一個(gè)進(jìn)程也可能同時(shí)與多個(gè)計(jì)算機(jī)建立鏈接，因此它會(huì)申請(qǐng)很多端口。

TCP編程

Socket是網(wǎng)絡(luò)編程的一個(gè)抽象概念。通常我們用一個(gè)Socket表示“打開了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接”，而打開一個(gè)Socket需要知道目標(biāo)計(jì)算機(jī)的IP地址和端口號(hào)，再指定協(xié)議類型即可。

客戶端

大多數(shù)連接都是可靠的TCP連接。創(chuàng)建TCP連接時(shí)，主動(dòng)發(fā)起連接的叫客戶端，被動(dòng)響應(yīng)連接的叫服務(wù)器。
所以，我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)基于TCP連接的Socket，可以這樣做：

# 導(dǎo)入socket庫:
import socket

# 創(chuàng)建一個(gè)socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立連接:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

創(chuàng)建Socket時(shí)，AF_INET指定使用IPv4協(xié)議，如果要用更先進(jìn)的IPv6，就指定為AF_INET6。SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP協(xié)議，這樣，一個(gè)Socket對(duì)象就創(chuàng)建成功，但是還沒有建立連接。
客戶端要主動(dòng)發(fā)起TCP連接，必須知道服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)。新浪網(wǎng)站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自動(dòng)轉(zhuǎn)換到IP地址，作為服務(wù)器，提供什么樣的服務(wù)，端口號(hào)就必須固定下來，新浪提供網(wǎng)頁服務(wù)的服務(wù)器必須把端口號(hào)固定在80端口，因?yàn)?0端口是Web服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)端口。
其他服務(wù)都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)端口號(hào)，例如SMTP服務(wù)是25端口，F(xiàn)TP服務(wù)是21端口，等等。端口號(hào)小于1024的是Internet標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的端口，端口號(hào)大于1024的，可以任意使用。
注意我們連接新浪服務(wù)器的參數(shù)是一個(gè)tuple，包含地址和端口號(hào)。
建立TCP連接后，我們就可以向新浪服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，要求返回首頁的內(nèi)容：

# 發(fā)送數(shù)據(jù):
s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')

TCP連接創(chuàng)建的是雙向通道，雙方都可以同時(shí)給對(duì)方發(fā)數(shù)據(jù)。但是誰先發(fā)誰后發(fā)，怎么協(xié)調(diào)，要根據(jù)具體的協(xié)議來決定。例如，HTTP協(xié)議規(guī)定客戶端必須先發(fā)請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器收到后才發(fā)數(shù)據(jù)給客戶端。
發(fā)送的文本格式必須符合HTTP標(biāo)準(zhǔn)，如果格式?jīng)]問題，接下來就可以接收新浪服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)了：

# 接收數(shù)據(jù):
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字節(jié):
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b''.join(buffer)

# 關(guān)閉連接:
s.close()

接收數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用recv(max)方法，一次最多接收指定的字節(jié)數(shù)，因此，在一個(gè)while循環(huán)中反復(fù)接收，直到recv()返回空數(shù)據(jù)，表示接收完畢，退出循環(huán)。
當(dāng)我們接收完數(shù)據(jù)后，調(diào)用close()方法關(guān)閉Socket，這樣，一次完整的網(wǎng)絡(luò)通信就結(jié)束了。
接收到的數(shù)據(jù)包括HTTP頭和網(wǎng)頁本身，我們只需要把HTTP頭和網(wǎng)頁分離一下，把HTTP頭打印出來，網(wǎng)頁內(nèi)容保存到文件：

header, html = data.split(b'\r\n\r\n', 1)
print(header.decode('utf-8'))
# 把接收的數(shù)據(jù)寫入文件:
with open('sina.html', 'wb') as f:
    f.write(html)

現(xiàn)在，只需要在瀏覽器中打開這個(gè)sina.html文件，就可以看到新浪的首頁了。

服務(wù)端

服務(wù)器進(jìn)程首先要綁定一個(gè)端口并監(jiān) 聽來自其他客戶端的連接。如果某個(gè)客戶端連接過來了，服務(wù)器就與該客戶端建立Socket連接，隨后的通信就靠這個(gè)Socket連接了。
所以，服務(wù)器會(huì)打開固定端口（比如80）監(jiān)聽，每來一個(gè)客戶端連接，就創(chuàng)建該Socket連接。由于服務(wù)器會(huì)有大量來自客戶端的連接，所以，服務(wù)器要能夠區(qū)分一個(gè)Socket連接是和哪個(gè)客戶端綁定的。一個(gè)Socket依賴4項(xiàng)：服務(wù)器地址、服務(wù)器端口、客戶端地址、客戶端端口來唯一確定一個(gè)Socket。
但是服務(wù)器還需要同時(shí)響應(yīng)多個(gè)客戶端的請(qǐng)求，所以，每個(gè)連接都需要一個(gè)新的進(jìn)程或者新的線程來處理，否則，服務(wù)器一次就只能服務(wù)一個(gè)客戶端了。
我們來編寫一個(gè)簡單的服務(wù)器程序，它接收客戶端連接，把客戶端發(fā)過來的字符串加上Hello再發(fā)回去。
我們要綁定監(jiān)聽的地址和端口。服務(wù)器可能有多塊網(wǎng)卡，可以綁定到某一塊網(wǎng)卡的IP地址上，也可以用0.0.0.0綁定到所有的網(wǎng)絡(luò)地址，還可以用127.0.0.1綁定到本機(jī)地址。127.0.0.1是一個(gè)特殊的IP地址，表示本機(jī)地址，如果綁定到這個(gè)地址，客戶端必須同時(shí)在本機(jī)運(yùn)行才能連接，也就是說，外部的計(jì)算機(jī)無法連接進(jìn)來。
端口號(hào)需要預(yù)先指定。因?yàn)槲覀儗懙倪@個(gè)服務(wù)不是標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，所以用9999這個(gè)端口號(hào)。請(qǐng)注意，小于1024的端口號(hào)必須要有管理員權(quán)限才能綁定。緊接著，調(diào)用listen()方法開始監(jiān)聽端口，傳入的參數(shù)指定等待連接的最大數(shù)量：

# 創(chuàng)建基于IPv4和TCP協(xié)議的Socket：
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 監(jiān)聽端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

s.listen(5)
print('Waiting for connection...')

接下來，服務(wù)器程序通過一個(gè)永久循環(huán)來接受來自客戶端的連接，accept()會(huì)等待并返回一個(gè)客戶端的連接。每個(gè)連接都必須創(chuàng)建新線程（或進(jìn)程）來處理，否則，單線程在處理連接的過程中，無法接受其他客戶端的連接：

while True:
    # 接受一個(gè)新連接:
    sock, addr = s.accept()
    # 創(chuàng)建新線程來處理TCP連接:
    t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))
    t.start()

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.decode('utf-8')).encode('utf-8'))
    sock.close()
    print('Connection from %s:%s closed.' % addr)

連接建立后，服務(wù)器首先發(fā)一條歡迎消息，然后等待客戶端數(shù)據(jù)，并加上Hello再發(fā)送給客戶端。如果客戶端發(fā)送了exit字符串，就直接關(guān)閉連接。
要測試這個(gè)服務(wù)器程序，我們還需要編寫一個(gè)客戶端程序：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立連接:
s.connect(('127.0.0.1', 9999))
# 接收歡迎消息:
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 發(fā)送數(shù)據(jù):
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.send(b'exit')
s.close()

我們需要打開兩個(gè)命令行窗口，一個(gè)運(yùn)行服務(wù)器程序，另一個(gè)運(yùn)行客戶端程序，就可以看到效果了：

需要注意的是，客戶端程序運(yùn)行完畢就退出了，而服務(wù)器程序會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)行下去，必須按Ctrl+C退出程序。
同一個(gè)端口，被一個(gè)Socket綁定了以后，就不能被別的Socket綁定了。

UDP編程

TCP是建立可靠連接，并且通信雙方都可以以流的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。相對(duì)TCP，UDP則是面向無連接的協(xié)議。
使用UDP協(xié)議時(shí)，不需要建立連接，只需要知道對(duì)方的IP地址和端口號(hào)，就可以直接發(fā)數(shù)據(jù)包。但是，能不能到達(dá)就不知道了。
雖然用UDP傳輸數(shù)據(jù)不可靠，但它的優(yōu)點(diǎn)是和TCP比，速度快，對(duì)于不要求可靠到達(dá)的數(shù)據(jù)，就可以使用UDP協(xié)議。
我們來看看如何通過UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。和TCP類似，使用UDP的通信雙方也分為客戶端和服務(wù)器。服務(wù)器首先需要綁定端口：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 綁定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

創(chuàng)建Socket時(shí)，SOCK_DGRAM指定了這個(gè)Socket的類型是UDP。綁定端口和TCP一樣，但是不需要調(diào)用listen()方法，而是直接接收來自任何客戶端的數(shù)據(jù)：

print('Bind UDP on 9999...')
while True:
    # 接收數(shù)據(jù):
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print('Received from %s:%s.' % addr)
    s.sendto(b'Hello, %s!' % data, addr)

recvfrom()方法返回?cái)?shù)據(jù)和客戶端的地址與端口，這樣，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，直接調(diào)用sendto()就可以把數(shù)據(jù)用UDP發(fā)給客戶端。
注意這里省掉了多線程，因?yàn)檫@個(gè)例子很簡單。
客戶端使用UDP時(shí)，首先仍然創(chuàng)建基于UDP的Socket，然后，不需要調(diào)用connect()，直接通過sendto()給服務(wù)器發(fā)數(shù)據(jù)：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 發(fā)送數(shù)據(jù):
    s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
    # 接收數(shù)據(jù):
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.close()

從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)仍然調(diào)用recv()方法。
服務(wù)器綁定UDP端口和TCP端口互不沖突，也就是說，UDP的9999端口與TCP的9999端口可以各自綁定。
愿早日戰(zhàn)勝新冠病毒！不要忘記點(diǎn)贊收藏或轉(zhuǎn)發(fā)，感謝支持~
學(xué)習(xí)筆記來自廖雪峰官方網(wǎng)站