Python网络编程之Socket(套接字)

一、Socket概念

Socket套接字，一种独立于协议的网络编程接口，就是对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点。
TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种端点我们叫做套接字(Socket)。

IP层的IP地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用IP地址+协议+端口号唯一标示网络中的一个进程。能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了

python中，我们利用Socket套接字来实现网络通信，可以说套接字是实现网络编程进行数据传输的一种技术手段。
Socket用于描述IP地址和端口，应用程序通常通过’套接字’相网络发出请求或者应答网络请求。
Socket主要是基于应用层和传输层之间，是一个中间的抽象层，功能是将复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面。
应用程序通过套接字发送或接收数据，socket模块针对服务器端和客户端Socket进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。
套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

二、套接字的发展史及分类

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。

• 基于文件类型的套接字家族：
  套接字家族的名字：AF_UNIX

  unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

• 基于网络类型的套接字家族：
  套接字家族的名字：AF_INET

  (还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

三、Socket的使用

通过指定地址簇和socket类型来进行创建。

服务器与客户端交互过程：

语法格式(基于TCP协议)

									'''服务端'''

import socket
'''基于TCP协议的套接字(Socket)编程'''
'''以后养成一个查看源码编写代码的思路!!!!'''

'''服务端比客户端先运行，服务端先运行然后等待客户端连接'''

# 1.产生一个socket对象并指定采用的通信版本和协议(括号内不写默认就是TCP协议)
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
'''
AF_INET, type=SOCK_STREAM   AF_INET, type=SOCK_DGRAM
基于TCP协议                  基于UDP协议
'''

# 2.绑定IP地址(ip)和端口号(port)（需要用元组的形式）
'''def bind(self, __address: _Address | bytes) -> None: ...'''
# 绑定的IP地址可以省略，代表绑定本机，第一个参数为ip地址，第二个参数为端口号
server.bind(('127.0.0.1', 8000))
'''127.0.0.1为本地回环地址，只有自己电脑可以访问'''

# 3.服务器做监听，也称为半连接池(需要用int类型，服务器能够同时等待客户端的数量)（排队数量不包含正在执行的）
'''    def listen(self, __backlog: int = ...) -> None: ...'''
# listen有一个参数，是一个数值，参数越大，以后可以连接的客户端越多，参数越小链接的客户端越小
server.listen(3)
print('form Listen')


# 4.等待接收客户端的连接请求
'三次握手'
sock, addr = server.accept()  # return sock,addr
# 运行到这里会等待客户端发送信息才继续下面的运行
'''sock就是双向通道，addr就是客户端地址'''
print('等待完成！')

# 5.接收客户端发送过来的消息,(接收到的类型是bytes类型，二进制的)
'''def recv(self, __bufsize: int, __flags: int = ...) -> bytes: ...'''
data = sock.recv(1024)  # 括号内代表的是一次接收最多1024个字节
'''recv()接收     send()发送'''
print('接收到了客户端的数据：',data)

# 6.给客户端发送消息，注意消息必须是bytes类型的
sock.send(data.upper())  # 我这里就只是给客户端发送的消息转成大写

# 7.关闭双向通道
'四次挥手'
sock.close()

# 8.关闭服务器
server.close()


print('==============================')

									'''客户端'''
import socket
'''运行程序时一定要确保先运行了服务器，之后才是客户端'''
# 1.生成socket对象指定类型和协议
client1 = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)

# 2.通过IP地址和端口号连接服务端
'''def connect(self, __address: _Address | bytes) -> None: ...'''
client1.connect(('127.0.0.1', 8000))

# 3.直接给服务端发送消息
client1.send('hello world'.encode('utf-8'))

# 4.接收服务端发送过来的消息
data = client1.recv(1024)
print('收到服务端发来的消息：', data.decode('utf-8'))

# 5.断开与服务端的链接
client1.close()
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1.基于TCP协议的套接字(socket)编程

TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用TCP的应用：Web浏览器；电子邮件、文件传输程序。

服务端：

	import socket

# 生成一个socket对象，设定类型和协议
server1 = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)

# 为socket设置IP地址，端口号
server1.bind(('127.0.0.1', 8080))

# 给服务器添加同时监听几个客户端,
server1.listen(3)

while True:
    # 等待客户端发来消息
    sock, addr = server1.accept()
    # sock双向通道，addr客户端地址
    while True:
        try:
            # 避免用户断开后，直接报错，自动捕获异常
            # 接收客户端发来的消息 二进制
            data = sock.recv(2048)
            print('接收到了客户端发来的消息：', data.decode('utf-8'))
            # 给客户端回复消息
            mag = input('请输入回复的消息>>>:').strip()
            sock.send(mag.encode('utf-8'))

        except Exception as f:
            print(f)
            break

# 关闭双向通道
sock.close()

# 断开服务器链接
server1.close()
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客户端：

	import socket

# 生成一个socket对象，设置类型和协议
client4 = socket.socket(family = socket.AF_INET,type=socket.SOCK_STREAM)

# 连接到服务器
client4.connect(('127.0.0.1',8080))

while True:
    # 向服务器发送消息
    mag = input('请输入发送的消息>>>:').strip()

	if len(mag) == 0:
		print('请输入有效信息！')
		continue

    if mag == 'yes':
        print('已断开与服务器连接！')
        break

    client4.send(mag.encode('utf-8'))  # 转码

    # 接收服务器回应的消息 字节
    data = client4.recv(2048)
    print('接收到了服务器发来的消息:',data.decode('utf-8'))  # 解码

    print('是否不在回复，断开连接？，请输入yes即可！')

# 断开连接
client4.close()
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有时候我们在重启服务端时，会出现端口被占用的情况。这是因为虽然连接已经关闭，但是端口还没来得及释放。

两种解决方案：
* 更换端口。
* bind绑定IP之前添加一个参数，来达到端口复用的目的。

import os

server = socket.socket(family=socket.AF_INET,type=socket.SOCK_STREAM)

server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

# 绑定ip地址和端口，127.0.0.1代表回环地址，只能当前计算机访问
server.bind(('127.0.0.1',8080))
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半连接池

	半连接池server.listen(5)
	意思就是同时可以运行五个客户端 如果多于五个则会报错
	需要等待前面五个客户端其中一个结束 则会有多余的位置给到第六个
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2.基于UDP协议的套接字(socket)编程

UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用UDP的应用：域名系统 (DNS)；视频流；IP语音(VoIP)。

udp是无连接的，所以发送数据前不需要先建立连接。
我们可以使用多个客户端与服务端进行数据发送，服务端可以逐个回复
udp发送数据采用的是数据报模式，数据会一次性全部发过去，如果未接收到也不会保存，安全性没有保障，但传输速率较快。

服务端：

	import socket
'''基于UDP协议的套接字(socket)编程'''

# 生成一个socket对象 设置类型和协议
server = socket.socket(family = socket.AF_INET,type = socket.SOCK_DGRAM)
'''这里因为要设置成UDP协议，所以type = socket.SOCK_DGRAM'''

# 设置服务器IP地址及端口号
server.bind(('127.0.0.1',8848))

while True:
    # 接受客户端发送来的信息，以及发送者的ip以及端口(UDP不需要建立连接)
    data,addr = server.recvfrom(2048)
    print(f"收到客户端{addr}发来的消息：",data.decode('utf-8'))

    # 向发送者回复信息
    mag = input('请输入回复的消息>>>>:').strip()
    server.sendto(mag.encode('utf-8'), addr)
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客户端：

	import socket

# 生成一个socket对象 设置类型和协议
client = socket.socket(family = socket.AF_INET,type = socket.SOCK_DGRAM)

server_ip = ('127.0.0.1',8848)  # 写好的ip地址和端口
# 无需和服务端建立连接

while True:
    mag = input('请输入发送的消息>>>:').strip()
    # 无需判断是否为空，因为UDP每次发送都不只是单纯的数据，还有ip和端口信息

    # 直接向写好的ip和端口发送数据
    client.sendto(mag.encode('utf-8'),server_ip)

    # 接收它的返回值
    data,addr = client.recvfrom(2048)
    print(f"接收到了{addr}的消息：",data.decode('utf-8'))
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也可以使用服务端只接收客户端消息

服务端：

	import socket
server = socket.socket(family = socket.AF_INET,type = socket.SOCK_DGRAM)

server.bind(('127.0.0.1',8888))

# 无需建立连接

while True:
    data,addr = server.recvfrom(2048)
    print(f"接收到了发送者{addr}发来的消息:",data.decode('utf-8'))
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客户端：

	import socket

client = socket.socket(family = socket.AF_INET,type = socket.SOCK_DGRAM)

# 无需建立连接

while True:
    # 直接给对应的ip地址和端口号发送信息
    mag = input('请输入发送的消息>>>:').strip()
    client.sendto(mag.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8888))
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黏包现象

	1.服务端连续执行三次recv
	2.客户端连续执行三次send
	问题:服务端一次性接收到了客户端三次的消息 该现象称为"黏包现象"
  
黏包现象产生的原因
	1.不知道每次的数据到底多大
	2.TCP也称为流式协议:数据像水流一样绵绵不绝没有间隔(TCP会针对数据量较小且发送间隔较短的
	多条数据一次性合并打包发送)
 
避免黏包现象的核心思路\关键点
		如何明确即将接收的数据具体有多大
	
ps:如何将长度变化的数据全部制作成固定长度的数据
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