基本知识

• 计算机网络知识，主要了解一下OSI的七层架构，以及TCP/IP的四层架构。
• 网络通信中最基本的概念：套接字，也叫通信端点、socket
• 网络通信地址表示：一般是主机+端口号
• 最常用的两种连接方式：面向连接方式（TCP，SOCK_STREAM）和面向无连接方式（UDP， SOCK_DGRAM）

这些基本的知识，网上有很多相关介绍，不是本章重点，有需要可以在网上查找相关资料。
这里学习一下python语言对底层网络编程的支持，这里只学习最常用的socket编程相关知识，详细说明可以参考官方文档：底层网络接口

socket模块

python有一个专门的socket模块来支持底层网络通信。是对Unix系统调用和套接字库接口的直译。

socket编程基本套路

1. TCP服务端

   s = socket()  # 创建一个服务端socket
   s.bind()      # 绑定socket地址（ip+port）
   s.listen()    # 监听此地址是否有连接
   loop:
       cs = s.accept() # 阻塞等待客户端连接，连接成功返回新的套接字对象，用于在此连接上收发数据
       comm_loop:
           cs.recv()/cs.send() # 通信：接收数据/发送数据
       cs.close() # 关闭通信套接字对象
   s.close() # 关闭服务端套接字对象
   

2. TCP客户端

   cs = socket()  # 创建一个客户端socket
   cs.connect()      # 通过服务端地址（ip + port）尝试连接服务端
   comm_loop:
       cs.send()/cs.recv() # 通信：发送数据/接收数据
   cs.close() # 关闭客户端套接字对象
   

3. UDP服务端

   ss = socket()  # 创建一个服务端socket
   ss.bind()      # 绑定服务端地址
   comm_loop:
       cs.recvfrom()/cs.sendto() # 通信：接收数据/发送数据
   cs.close() # 关闭客户端套接字对象
   

说明： UDP无连接，不需要监听。先被动接收数据，会返回客户端的地址，后面就可以根据客户端地址主动发送消息。

4. UDP客户端

   cs = socket()  # 创建一个客户端socket
   comm_loop:
       cs.sendto()/cs.recvfrom() # 通信：发送数据/接收数据
   cs.close() # 关闭客户端套接字对象
   

socket通信实例

先从一个TCP实例开始学习，功能比较简单：

1. 一个客户端，一个服务器端，两个python程序可以放在两台电脑上运行
2. 客户端给服务端发送一个消息；服务器端接收到消息之后，加上一个时间戳再返回给客户端
3. 无消息则结束

• 服务端代码

  from socket import *
  from time import ctime
  
  HOST = ''
  PORT = 21567
  BUFF = 1024
  
  ADDR = (HOST, PORT)
  
  tcpSvrSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
  tcpSvrSocket.bind(ADDR)
  tcpSvrSocket.listen(5)
  
  while True:
      print("Waiting for connect...")
      tcpCliSocket, addr = tcpSvrSocket.accept()
      print(f"...connected from {addr}")
  
      while True:
          data = tcpCliSocket.recv(BUFF)
          if not data:
              break;
  
          data = data.decode('utf-8')
  
          print(f'recive data from client: {data}')
  
          resMsg = f'[{ctime()}] {data}'
          tcpCliSocket.send(bytes(resMsg, 'utf-8'))
  
      tcpCliSocket.close()
  
  tcpSvrSocket.close()
  

• 客户端代码

  from socket import *
  
  HOST = ''
  PORT = 21567
  BUFF = 1024
  
  ADDR = (HOST, PORT)
  
  tcpCliSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
  tcpCliSocket.connect(ADDR)
  
  while True:
      data = input(">>> ")
      if not data:
          break
  
      tcpCliSocket.send(bytes(data, 'utf-8'))
      data = tcpCliSocket.recv(BUFF)
      if not data:
          break
  
      print(data.decode('utf-8'))
  
  tcpCliSocket.close()
  

说明：socket类实现了__enter__和__exit__，可以使用with语句自动实现close操作，也即使用with语句可以不用主动调用socket.close()接口

模块说明

• 常量
  socket模块定义了很多常量，最常使用的如下表

常量名	说明
socket.AF_INET	一种用于ipv6的地址族，一个四元组(host, port, flowinfo, scope_id)表示地址
socket.AF_INET6	一种socket地址族（用于ipv4，也是目前常用的）使用一个(ip, port)元组表示地址
socket.SOCK_STREAM	面向连接（TCP）的socket类型
socket.SOCK_DGRAM	面向无连接（UDP）的socket类型

• 接口
  socket模块中有一些函数可以使用，但是最常用的还是socket类生成socket对象，以及类中的接口。类原型如下：

  class socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)
  

常用接口信息如下表

接口名	连接方式	说明
socket.bind(address)	TCP/UDP	服务端socket绑定到地址address
socket.listen([backlog])	TCP	启动一个服务器用于接受连接。backlog表示系统允许暂未 accept 的连接数，超过后将拒绝新连接。最低为 0（小于 0 会被置为 0），未指定则自动设为合理的默认值。
socket.accept()	TCP	接受一个连接。此 socket 必须绑定到一个地址上并且监听连接。返回一个 (conn, address) 对：其中 conn 是一个新的套接字对象，用于在此连接上收发数据，address 是连接另一端的套接字所绑定的地址。
socket.connect(address)	TCP/UDP	连接到 address 处的远程套接字。
socket.recv(bufsize[, flags])	TCP	从套接字接收数据。返回值是一个字节对象，表示接收到的数据。bufsize 指定一次接收的最大数据量。可选参数 flags 的含义请参阅 Unix 手册页 recv(2)，它默认为零。
socket.send(bytes[, flags])	TCP	发送数据给套接字。本套接字必须已连接到远程套接字。可选参数 flags 的含义与上述 recv() 中的相同。
socket.recvfrom(bufsize[, flags])	UDP	从套接字接收数据。返回值是一对 (bytes, address)，其中 bytes 是字节对象，表示接收到的数据，address 是发送端套接字的地址。可选参数 flags 的含义请参阅 Unix 手册页 recv(2)，它默认为零。
socket.sendto(bytes, address)	UDP	发送数据给套接字。由 address 指定目标套接字。可选参数 flags 的含义与上述 recv() 中的相同。

• 异常

异常名	说明
socket.error	一个被弃用的 OSError 的别名。
socket.herror	OSError的子类，本异常通常表示与地址相关的错误。
socket.gaierror	OSError的子类，来自 getaddrinfo()和 getnameinfo()，表示与地址相关的错误。附带的值是一对 (error, string)，代表库调用返回的错误。
socket.timeout	OSError的子类，当套接字发生超时，且事先已调用过 settimeout()（或隐式地通过 setdefaulttimeout()）启用了超时，则会抛出此异常。

SocketServer模块

socketserver模块是一个用于网络服务器编写的框架，简化了编写网络服务器的任务。例如上面TCP服务器端代码可以使用此模块改写如下：

import socketserver

class MyTCPHandler(socketserver.StreamRequestHandler):

    def handle(self):
        # self.rfile is a file-like object created by the handler;
        # we can now use e.g. readline() instead of raw recv() calls
        self.data = self.rfile.readline().strip()
        print("{} wrote:".format(self.client_address[0]))
        print(self.data)
        # Likewise, self.wfile is a file-like object used to write back
        # to the client
        self.wfile.write(self.data.upper())

if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "localhost", 21567

    # Create the server, binding to localhost on port 9999
    with socketserver.TCPServer((HOST, PORT), MyTCPHandler) as server:
        # Activate the server; this will keep running until you
        # interrupt the program with Ctrl-C
        server.serve_forever()

模块说明

常用实体服务器类：

• TCPServer类，该类使用互联网 TCP 协议，它可以提供客户端与服务器之间的连续数据流。函数原型如下：
  class socketserver.TCPServer(server_address, RequestHandlerClass, bind_and_activate=True)
• UDPServer类，该类使用数据包，即一系列离散的信息分包，它们可能会无序地到达或在传输中丢失。函数原型如下：
  class socketserver.UDPServer(server_address, RequestHandlerClass, bind_and_activate=True)

请求处理句柄对象：

• BaseRequestHandler类，这是所有请求处理句柄对象的超类。 它定义了下文列出的接口。 一个实体请求处理句柄子类必须定义新的 handle()方法，并可重载任何其他方法。 对于每个请求都会创建一个新的子类的实例。

  接口名	说明
  setup()	会在 handle() 方法之前被调用以执行任何必要的初始化操作。 默认实现不执行任何操作。
  handle()	此函数必须执行为请求提供服务所需的全部操作。 默认实现不执行任何操作。 它有几个可用的实例属性；请求为 self.request；客户端地址为 self.client_address；服务器实例为 self.server，如果它需要访问特定服务器信息的话。
  finish()	在 handle()方法之后调用以执行任何需要的清理操作。 默认实现不执行任何操作。

• StreamRequestHandler和DatagramRequestHandler类，是BaseRequestHandler的子类，重载了 setup()和 finish()方法，并提供了 self.rfile（读取以获取请求数据） 和 self.wfile（写入以将数据返回给客户端） 属性。

当然此框架还提供了更加强大的功能，具体可以参考官方文档