概述

        在我们平时生活工作中，常常会接触到网络通信的内容，不管你是普通的用户，还是通信行业内的开发人员，都无法避免与网络通信打交道。我在初步学习python的过程中，对python的网络通信问题做了总结，所以写下这篇文章作为记录，也希望能给其他初学者一些引导和启发。这篇文章的主要内容如下：

    1. 在深入讲解之前，我们先介绍一些背景信息；

    2. 介绍套接字的概念；

    3. 展示如何用Python来实现简单的网络应用程序。

客户端/服务器架构（C/S架构）

        什么是客户端/服务器架构？总的来说，某一个特定的对象，并没有严格的客户端或者服务器之分，区分的标准在于，在实现网络通信的过程中，该对象的行为模式决定了它是客户端还是服务端。

服务器：为一个或者多个客户端（用户）提供所需“服务"的一系列硬件或者软件。工作流程可以简单概括为：等待请求、响应并提供服务、等待下一个请求。

客户端：因特定请求而联系服务器，接收服务并处理相关事务的一方。客户端可以持续向服务器发送请求，也可以在结束事务请求后不再发出请求。

因特网上典型的C/S架构

通信端点与套接字（socket）

        在服务器相应客户端的请求之前，双方需要进行一系列的准备工作。首先需要创建一个通信端点，服务器通过该通信端点监听客户端的请求（当然，实际的网络通信中，处理不同类型的消息会使用不同类型的通信端点，从而进行区分）。

        在网络通信中，我们常用的一种通信端点为套接字（socket），在通信开始之前，网络应用程序都需要创建套接字。

套接字的分类

    1. 基于文件的套接字

        UNIX 套接字是我们所讲的套接字的第一个家族，并且拥有一个“家族名字”：AF_UNIX（又名 AF_LOCAL,在 POSIX1.g 标准中指定），它代表地址家族（address family）：UNIX。

        包括 Python 在内的大多数受欢迎的平台都使用术语地址家族及其缩写 AF；其他比较旧的系统可能会将地址家族表示成域(domain)或协议家族(protocol family)，并使用其缩写 PF 而非 AF。类似地,AF_LOCAL(在 2000~2001 年标准化)将代替 AF_UNIX。然而，考虑到后向兼容性,很多系统都同时使用二者，只是对同一个常数使用不同的别名。Python 本身仍然在使用 AF_UNIX。

    2. 面向网络的套接字

        它也有自己的家族名字 AF_INET，或者地址家族：因特网。另一个地址家族 AF_INET6 用于第 6 版因特网协议(IPv6)寻址。（还有其他的地址家族，这些要么是专业的、过时的、很少使用的,要么是仍未实现的。）在所有的地址家族之中,目前 AF_INET 是使用得最广泛的。

        总的来说,Python 只支持 AF_UNIX、AF_NETLINK、AF_TIPC 和 AF_INET 家族。下面的内容中,我们将使用 AF_INET。

套接字地址：主机-端口对

        正如我们在现实生活中打电话一样，套接字的通信需要一些记号用作识别功能。我们打电话的时候，可以通过区号和电话号码的组合找到要呼叫的用户；在socket通信中，我们通过主机-端口对找到通信的对象。

        我们都知道，通过url或者ip地址，我们可以在互联网中找到特定的主机。在每一台主机中，不同的端口号会用作不同的通信用途。只要确定的主机和端口号，就可以在网络中唯一确定一个”通信端点“，也就是找到了所要进行通信的套接字的地址了。

        需要说明的是，有效的端口号范围是0～65535（小于1024的端口号预留给了系统）。一般来说，其余的端口号我们都可以根据实际的需要进行使用。

面向连接的套接字与无连接的套接字

    1. 面向连接的套接字（TCP）

        也称为虚拟电路或流套接字。主要提供序列化的、可靠的、不重复的数据，它可以将消息拆分成多个片段，确保每一条片段都顺利到达目的地，然后按照顺序组合在一起，最后将完整的消息传递给正在等待的应用程序。

        实现的主要协议是传输控制协议（TCP）。创建TCP套接字时，必须使用SOCK_STREAM作为套接字类型。

    2. 无连接的套接字（UDP）

        又称为数据报类型的套接字。在传输过程中无法保证其顺序性、可靠性、重复性，事实上所发送的报文有可能最后并没有到达，也有可能存在重复的消息。

        我们之所以还继续使用数据报，这是相对于面向连接的套接字来看的。由于维护TCP连接需要大量的开销，发送数据报能够保证成本更加”低廉“，所以通常能提供更好的性能，并且可能更适合某一些类型的应用程序。

        实现的主要协议是用户数据报协议（UDP）。创建UDP套接字，必须使用SOCK_DGRAM作为套接字类型。

Python中的网络编程

socket()模块函数

        要创建套接字，必须使用socket.socket()函数，它的一般语法如下：

socket(socket_family, socket_type, protocol=0)

        其中，socket_family是AF_UNIX或者AF_INET，socket_type是SOCK_STREAM或者SOCK_DGRAM，protocol通常省略，默认为0 。

        在python编程中，我们首先在文件最开始的地方引用需要用到的模块，在这里，我们使用“from socket import *"，通过这样的引用，就可以向下面这样直接创建套接字：

tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

udpSock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

        成功创建套接字后，我们就可以调用套接字对象的内置方法进行其他的操作了。具体的内容可以查看python的文档。

TCP通信

1. 创建TCP服务器

        以下是一个TCP服务器程序，它接受客户端发送的字符串，将其打上时间戳之后，再返回给客户端。二话不说，先贴代码：

TCP时间戳服务器

第1～4行：

        声明运行环境，导入socket模块和time.ctime()。

第6～10行：

        指定主机地址、工作端口号、接收缓存的长度。HOST和PORT共同组成ADDR，体现的就是上面我们所说的”主机-端口对“。服务器端的HOST为空，表示它可以使用任意可用的地址。

第12～14行：

        创建套接字 ，把套接字绑定到服务器地址，开启TCP监听。

第16～32行：

        进入服务器的无限循环，不断等待接收客户端的连接。在第18行，我们通过accept()获取到客户端的tcpCliSock和addr，于是后续可以通过这个tcpCliSock专门处理该客户端的事务（从而与其他请求的客户端区分开来）。在第22行，使用recv()接收消息，如果消息为空，则跳出循环，关闭当前客户端的连接，然后继续等待连接；如果不为空，则把消息解析出来，添加时间戳，经过重新编码成ASCII字节后，通过send()发送回去给客户端。在这个程序里，第32行不会执行，只是用于提醒编写程序的人，在使用这一套程序时，必须要考虑到合理科学的退出方式，正确地调用close()方法。

        这里需要强调的是，由于python的编码问题，所以我们的消息在主机端时要进行解码后才能正确显示（如decode()），进行编码后才能发送到网络端去（如encode()，bytes()）。不管是在服务器还是客户端，我们都需要考虑到这个情况。

2. 创建TCP客户端

        创建客户端比服务器要简单很多。客户端与服务器建立连接，发送字符串给服务器，从服务器接收添加了时间戳的消息并打印。发送空字符串即可关闭套接字，退出这次连接。代码实例如下：

TCP时间戳客户端

第1～3行：

        声明运行环境，导入socket模块。

第5～9行：

        指定主机地址、工作端口号、接收缓存的长度。HOST和PORT共同组成ADDR，体现的就是上面我们所说的”主机-端口对“。这里的HOST为服务器端所在主机的地址，由于我是在本地进行通信测试的，所以地址设置为127.0.0.1（localhost)。在实际网络通信的时候，根据具体的情况进行相应的修改。客户端填写的PORT必须与服务器填写的PORT对应才能正常通信。

第11～12行：

        创建套接字 ，主动调用并通过connect()连接到服务器。

第14～25行：

        进行无限循环：客户端填写要发送的消息，发送后等待接收服务器的回复，接收到结果后将结果打印。当客户端输入的内容为空，或者服务器断开连接、客户端接收失败时，即退出循环，调用close()函数，关闭客户端的套接字。

        同样的，发送消息前，我们需要对数据进行编码，接收的结果，也需要进行解码后才能正常显示出来。如果我们想要将代码改成相应的ipv6的形式，我们只需要把HOST改成“::1”，sock_family改成AF_INET6即可。

UDP通信

1. 创建UDP服务器

        UDP服务器实现的功能与TCP基本一致，主要的区别在于UDP服务器不是面向连接的，所以只需要等待客户端的请求，回复消息即可，不需要将成功连接的客户端“转换”到一个独立的套接字的操作。示例代码如下：

UDP时间戳服务器

第1～4行：

        声明运行环境，导入socket模块和time.ctime()。

第6～10行：

        与TCP相同，指定主机地址、工作端口号、接收缓存的长度。HOST和PORT共同组成ADDR，体现的就是上面我们所说的”主机-端口对“。服务器端的HOST为127.0.0.1，表示它使用本地主机地址。

第12～13行：

        创建套接字 ，把套接字绑定到服务器地址，绑定后直接等待接收，不需要监听。

第15～24行：

        进入服务器的无限循环，不断等待接收客户端的连接。在第17行，使用recvfrom()接收消息，同时获取通信客户端的地址对信息。紧接着把消息解析出来，添加时间戳，经过重新编码成ASCII字节后，通过sendto()发送回去给客户端，此时由于服务器没有与客户端维护连接，所以要指定发送的地址对信息。同样的，在这个程序里，第24行不会执行，只是用于提醒编写程序的人，在使用这一套程序时，必须要考虑到合理科学的退出方式，正确地调用close()方法。

2. 创建UDP客户端

        原理非常简单，上面都有提及到，就不作详细说明了。直接贴代码：

UDP时间戳客户端

关于服务器退出的问题

        最后再提以下服务器退出的问题。在开发中，一种相对比较友好的退出方式是：将服务器的while部分放在一个try-except的try子句中，并监控EOFError和KeyboardInterrupt异常，这样就可以在except或者finally子句中关闭服务器的套接字。

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参考内容：

《Python核心编程（第三版）》[美] Wesley Chun 著，孙波翔、李斌、李晗 译。