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.decode('utf-8')).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。
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。