Python网络编程

PCGuo999

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分类专栏：人工智能 python 文章标签： python tcp/ip 人工智能

于 2022-04-25 13:43:59 首次发布

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一、IP 地址的介绍

1. IP 地址的概念

IP 地址就是标识网络中设备的一个地址。通过IP地址能够找到网络中某台设备

IP 地址分为两类： IPv4 和 IPv6
IPv4 是目前使用的ip地址
IPv6 是未来使用的ip地址
IPv4 是由点分十进制组成
IPv6 是由冒号十六进制组成

2. 查看 IP 地址

Linux 和 mac OS 使用 ifconfig 这个命令
Windows 使用 ipconfig这个命令

192.168.1.107是设备在网络中的IP地址

127.0.0.1表示本机地址，是回送地址，用来测试使用。

3. 检查网络是否正常

检查网络是否正常使用 ping 命令，即ping ip地址或域名，若可以联通则表示网络正常

ping www.baidu.com 检查是否能上公网
ping 当前局域网的ip地址检查是否在同一个局域网内
ping 127.0.0.1 检查本地网卡是否正常

二、端口和端口号的介绍

1. 端口

端口的作用就是给运行的应用程序提供传输数据的通道。

在Internet上，各主机间通过TCP/IP协议发送和接收数据包，各个数据包根据其目的主机的ip地址来进行互联网络中的路由选择,把数据包顺利的传送到目的主机。

那么目的主机应该把接收到的数据包传送给众多同时运行的进程中的哪一个呢？显然这个问题有待解决，端口机制便由此被引入进来。

不光接受数据包的进程需要开启它自己的端口，发送数据包的进程也需要开启端口，这样，数据包中将会标识有源端口，以便接受方能顺利地回传数据包到这个端口。

2. 端口号

操作系统为了统一管理这么多端口，就对端口进行了编号，这就是端口号，端口号其实就是一个数字，好比我们现实生活中的门牌号。

QQ之间进行数据通信的流程：通过ip地址找到对应的设备，通过端口号找到对应的端口，然后通过端口把数据传输给应用程序。

3. 端口号的分类-知名端口号、动态端口号

(1)知名端口号的范围是0到1023

是指众所周知的端口号

这些端口号一般固定分配给一些服务，比如21端口分配给FTP(文件传输协议)服务，25端口分配给SMTP（简单邮件传输协议）服务，80端口分配给HTTP服务。

(2)动态端口号的范围是1024到65535

一般程序员开发应用程序使用端口号称为动态端口号, 范围是从1024到65535。

如果程序员开发的程序没有设置端口号，操作系统会在动态端口号这个范围内随机生成一个给开发的应用程序使用。
当运行一个程序默认会有一个端口号，当这个程序退出时，所占用的这个端口号就会被释放。

三、TCP-可以用“网络调试助手测试”

1. 网络应用程序之间的通信流程

之前我们学习了 IP 地址和端口号，通过 IP 地址能够找到对应的设备，然后再通过端口号找到对应的端口，再通过端口把数据传输给应用程序，这里要注意，数据不能随便发送，在发送之前还需要选择一个对应的传输协议，保证程序之间按照指定的传输规则进行数据的通信， 而这个传输协议就是我们今天学习的 TCP。

2. TCP 的概念

TCP 的英文全拼(Transmission Control Protocol)简称传输控制协议，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。常用于对数据进行准确无误的传输，比如: 文件下载，浏览器上网。

TCP 通信步骤:

创建连接
传输数据
关闭连接

3. TCP 的特点

(1)面向连接

通信双方必须先建立好连接才能进行数据的传输，数据传输完成后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。

(2)可靠传输

TCP 采用发送应答机制

必须收到对方返回确认帧（ACK）才认为报文段传送成功
超时重传

如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。
错误校验

TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和
流量控制和阻塞管理

采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传

4. socket

socket (简称套接字) 是进程之间通信一个工具，进程之间网络数据的传输可以通过 socket 来完成， socket 就是进程间网络数据通信的工具。

不夸张的说，只要跟网络相关的应用程序或者软件都使用到了 socket 。

5. TCP 网络应用程序开发流程

(1)TCP 网络应用程序开发流程的介绍

TCP 网络应用程序开发分为:

TCP 客户端程序开发
TCP 服务端程序开发

客户端程序：主动发起建立连接请求的，运行在用户设备上的程序

服务端程序：等待接受连接请求的，运行在服务器设备上的程序，专门为客户端提供数据服务

tcp网络应用程序的开发流程

(2)TCP 客户端程序开发流程的介绍

socket()：创建客户端套接字对象(买电话)
connect()：和服务端套接字建立连接(打电话)
send()：发送数据(说话)
recv()：接收数据(接听)
close()：关闭客户端套接字(挂电话)

(3)TCP 服务端程序开发流程的介绍

socket()：创建服务端端套接字对象 (买电话)
bind()：绑定端口号
listen()：设置监听 (因为服务端是被动接听的，需要设置监听状态)
accept()：等待接受客户端的连接请求
recv()：接收数据
send()：发送数据
close()：关闭套接字

6. python3编码转换encode、decode

网络传输是以二进制数据进行传输的，所以在网络传输数据的时候，数据需要先编码转化为二进制数据类型。在7.8.的程序开发中会经常使用到

encode：发送数据时进行编码，将字符串转化为字节码

decode：接收数据时进行解码，将字节码转化为字符串

s.encode(encoding="utf-8")
b.decode(encoding="utf-8")

7. TCP 客户端程序开发

# 1.导入 socket 模块
import socket
# 2.创建客户端 socket 对象
socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
   # AF_INET表示IP地址类型IPv4
   # SOCK_STREAM表示传输协议类型为TCP类型
# 3.表示和服务端套接字建立连接
connect((IP地址, 端口号)) 
# 4.表示发送数据，data是二进制数据
# 注意: 字符串需要使用encode()方法进行编码,encode不写参数表示默认utf-8
send(data)
# 5.表示接收数据, buffersize是每次接收数据的长度
recv(buffersize)

# 导入socket模块
import socket

if __name__=='__main__':
    # 1.创建客户端套接字对象
    tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
        # AF_INET表示IP地址类型IPv4
   		# SOCK_STREAM表示传输协议类型为TCP类型
    # 2.和服务端套接字建立连接
    tcp_client_socket.connect(("192.xxx.xxx.xxx", 8080))
    # 代码执行到此，说明连接建立成功
    # 3.发送数据
    # 准备发送的数据
    send_data = "你好服务端，我是客户端PCGuo!".encode("utf-8")
        # 要发送的二进制数据， 注意: 字符串需要使用encode()方法进行编码
        # encode不写参数表示默认utf-8
    # 发送数据
    tcp_client_socket.send(send_data)
    # 4.接收数据 recv阻塞等待数据的到来
    recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
        # recv参数表示每次接收数据的大小，单位是字节
    # 查看是否接收到
    # 返回的直接是服务端程序发送的二进制数据
    print(recv_data)
    # 对数据进行解码
    recv_content = recv_data.decode()
    print("接收服务端的数据为:", recv_content)
    # 5.关闭客户端套接字
    tcp_client_socket.close()

8. TCP服务端程序开发

# 表示绑定IP地址和端口号
bind((IP地址, 端口号)) 
# 表示设置监听，backlog参数表示最大等待建立连接的个数。
listen (backlog) 
# 表示等待接受客户端的连接请求
accept()

# 导入socket模块
import socket

if __name__=='__main__':
    # 1.创建服务端套接字对象
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    # 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
    tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    # 2.和服务端套接字建立连接
    tcp_server_socket.bind(("", 8888))
        # 如果bind中的参数第一个IP地址设置为""，默认为本机IP地址
        # 端口号只要不是特殊的端口号就可以
    # 3.设置监听
    tcp_server_socket.listen(128)
        # 可以等待排队连接的最大数量
        # listen后的这个套接字只负责接收客户端连接请求，不能收发消息，收发消息使用返回的这个新套接字来完成
    # 4.等待客户端连接请求  accept阻塞等待，直到有客户端连接，
    # 返回1.一个专门用以和客户端通信的socket套接字；2.客户端的ip地址和端口号
    service_client_socket, ip_port=tcp_server_socket.accept()
    print("客户端的ip地址和端口号:", ip_port)
    # 代码执行到此说明连接建立成功
    # 5.接收客户端发送的数据, 这次接收数据的最大字节数是1024 recv阻塞等待数据的到来
    recv_data = service_client_socket.recv(1024)
    # 获取数据的长度
    recv_data_length = len(recv_data)
    print("接收数据的长度为:", recv_data_length)
    # 对二进制数据进行解码
    recv_content = recv_data.decode()
    print("接收客户端的数据为:", recv_content)

    # 6.发送数据
    # 准备发送的数据
    send_data = "ok, 问题正在处理中...".encode()
        # 要发送的二进制数据， 注意: 字符串需要使用encode()方法进行编码
    # 发送数据
    tcp_server_socket.send(send_data)
    # 5.关闭套接字
    # 关闭服务与客户端的套接字， 终止和客户端通信的服务
    service_client_socket.close()
    # 关闭服务端的套接字, 终止和客户端提供建立连接请求的服务
    tcp_server_socket.close()

9. TCP网络应用程序的注意点介绍

当 TCP 客户端程序想要和 TCP 服务端程序进行通信的时候必须要先建立连接
TCP 客户端程序一般不需要绑定端口号，因为客户端是主动发起建立连接的。
TCP 服务端程序必须绑定端口号，否则客户端找不到这个 TCP 服务端程序。
listen 后的套接字是被动套接字，只负责接收新的客户端的连接请求，不能收发消息。
当 TCP 客户端程序和 TCP 服务端程序连接成功后， TCP 服务器端程序会产生一个新的套接字，收发客户端消息使用该套接字。
关闭 accept 返回的套接字意味着和这个客户端已经通信完毕。
关闭 listen 后的套接字意味着服务端的套接字关闭了，会导致新的客户端不能连接服务端，但是之前已经接成功的客户端还能正常通信。
当客户端的套接字调用 close 后，服务器端的 recv 会解阻塞，返回的数据长度为0，服务端可以通过返回数据的长度来判断客户端是否已经下线，反之服务端关闭套接字，客户端的 recv 也会解阻塞，返回的数据长度也为0。
当客户端和服务端建立连接后，服务端程序退出后端口号不会立即释放，需要等待大概1-2分钟。

解决办法有两种:
1. 更换服务端端口号
2. 设置端口号复用(推荐大家使用)，也就是说让服务端程序退出后端口号立即释放。
设置端口号复用的代码如下:创建服务端套接字对象后设置

tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
# 参数1: 表示当前套接字
# 参数2: 设置端口号复用选项
# 参数3: 设置端口号复用选项对应的值

10.socket的send和recv原理

(1)认识TCP socket的发送和接收缓冲区

当创建一个TCP socket对象的时候会有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这个发送和接收缓冲区指的就是内存中的一片空间。

不管是recv还是send都不是直接接收到对方的数据和发送数据到对方，发送数据会写入到发送缓冲区，接收数据是从接收缓冲区来读取，发送数据和接收数据最终是由操作系统控制网卡来完成。

(2)send原理剖析

send是不是直接把数据发给服务端?

不是，要想发数据，必须得通过网卡发送数据，应用程序是无法直接通过网卡发送数据的，它需要调用操作系统接口，也就是说，应用程序把发送的数据先写入到发送缓冲区(内存中的一片空间)，再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡 。

(3)recv原理剖析

recv是不是直接从客户端接收数据?

不是，应用软件是无法直接通过网卡接收数据的，它需要调用操作系统接口，由操作系统通过网卡接收数据，把接收的数据写入到接收缓冲区(内存中的一片空间），应用程序再从接收缓存区获取客户端发送的数据。
socket的发送和接收缓冲区

说明:

发送数据是发送到发送缓冲区
接收数据是从接收缓冲区获取

四、案例-多任务版TCP服务端程序开发

1. 具体实现步骤

编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求

   while True:
       service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()

当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞

    while True:
        service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept() 
        sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
        sub_thread.start()

把创建的子线程设置成为守护主线程，防止主线程无法退出。

    while True:
        service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept() 
        sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
        sub_thread.setDaemon(True) 
        sub_thread.start()

2. 多任务版TCP服务端程序的示例代码:

import socket
import threading # 线程模块

# 处理客户端的请求操作
def handle_client_request(service_client_socket, ip_port):
    # 循环接收客户端发送的数据
    while True:
        # 接收客户端发送的数据
        recv_data = service_client_socket.recv(1024)
        # 容器类型判断是否有数据可以直接使用if语句进行判断，如果容器类型里面有数据表示条件成立，否则条件失败
        # 容器类型: 列表、字典、元组、字符串、set、range、二进制数据
        if recv_data:
            print(recv_data.decode("gbk"), ip_port)
            # 回复
            service_client_socket.send("ok，问题正在处理中...".encode("gbk"))

        else:
            print("客户端下线了:", ip_port)
            break
    # 终止和客户端进行通信
    service_client_socket.close()


if __name__ == '__main__':
    # 创建tcp服务端套接字
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
    tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    # 绑定端口号
    tcp_server_socket.bind(("", 9090))
    # 设置监听, listen后的套接字是被动套接字，只负责接收客户端的连接请求
    tcp_server_socket.listen(128)
    # 循环等待接收客户端的连接请求
    while True:
        # 等待接收客户端的连接请求
        service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
        print("客户端连接成功:", ip_port)
        # 当客户端和服务端建立连接成功以后，需要创建一个子线程，不同子线程负责接收不同客户端的消息。使用handle_client_request方法，传参为元组(service_client_socket, ip_port)即和客户端通信的套接字和IP地址
        sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
        # 设置守护主线程
        sub_thread.setDaemon(True)
        # 启动子线程
        sub_thread.start()

    # tcp服务端套接字可以不需要关闭，因为服务端程序需要一直运行
    # tcp_server_socket.close()

执行结果:

客户端连接成功: ('172.16.47.209', 51528)
客户端连接成功: ('172.16.47.209', 51714)
线程1执行 ('172.16.47.209', 51528)
线程2执行 ('172.16.47.209', 51714)