学习：socket编程

2021-09-20  本文已影响0人  小小杨树

转自：http://www.byhy.net/tut/py/etc/socket/

Python 语言中socket编程

点击这里，边看视频讲解，边学习以下内容

要进行socket编程，发送网络消息，我们可以使用 Python 内置的 socket 库 。

目前的socket编程，使用的最多的就是通过tcp协议进行网络通讯的。

tcp进行通讯的程序双方，分为服务端和客户端。

tcp 协议进行通讯的双方，是需要先建立一个虚拟连接的。然后双方程序才能发送业务数据信息。

建立tcp虚拟连接是通过著名的 三次握手 进行的。

具体三次握手的细节大家可以参考这篇文章 https://zhuanlan.zhihu.com/p/40499563

我们现在来看一个 tcp协议进行通讯的 socket 服务端程序和客户端程序。

下面是tcp 服务端程序 server.py

#  === TCP 服务端程序 server.py ===

# 导入socket 库
from socket import *

# 主机地址为空字符串，表示绑定本机所有网络接口ip地址
# 等待客户端来连接
IP = ''
# 端口号
PORT = 50000
# 定义一次从socket缓冲区最多读入512个字节数据
BUFLEN = 512

# 实例化一个socket对象
# 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议
# 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用tcp协议
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# socket绑定地址和端口
listenSocket.bind((IP, PORT))

# 使socket处于监听状态，等待客户端的连接请求
# 参数 8 表示 最多接受多少个等待连接的客户端
listenSocket.listen(8)
print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')

dataSocket, addr = listenSocket.accept()
print('接受一个客户端连接:', addr)

while True:
    # 尝试读取对方发送的消息
    # BUFLEN 指定从接收缓冲里最多读取多少字节
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)

    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    # 退出循环，结束消息收发
    if not recved:
        break

    # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串
    info = recved.decode()
    print(f'收到对方信息： {info}')

    # 发送的数据类型必须是bytes，所以要编码
    dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())

# 服务端也调用close()关闭socket
dataSocket.close()
listenSocket.close()

下面是tcp 客户端程序 client.py

#  === TCP 客户端程序 client.py ===

from socket import *

IP = '127.0.0.1'
SERVER_PORT = 50000
BUFLEN = 1024

# 实例化一个socket对象，指明协议
dataSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 连接服务端socket
dataSocket.connect((IP, SERVER_PORT))

while True:
    # 从终端读入用户输入的字符串
    toSend = input('>>> ')
    if  toSend =='exit':
        break
    # 发送消息，也要编码为 bytes
    dataSocket.send(toSend.encode())

    # 等待接收服务端的消息
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)
    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    if not recved:
        break
    # 打印读取的信息
    print(recved.decode())

dataSocket.close()

大家保存一下代码运行一遍看看。

注意，要先运行服务段，再运行客户段。

上面代码的细节，请看 上面链接的视频讲解

应用消息格式

为什么要定义消息格式

点击这里，边看视频讲解，边学习以下内容

上面的例子中，我们发送的消息就是要传递的内容。 比如字符串 你好，我是白月黑羽 。

实际上，我们在企业中开发的程序通讯，消息往往是有 格式定义 的。 消息的格式定义可以归入 OSI网络模型的 表示层 。

比如: 定义的消息包括 消息头 和 消息体。

消息头存放消息的格式数据， 比如 消息的长度、类型、状态等等， 而消息体存放具体的传送数据。

对于使用TCP协议传输信息的程序来说，格式定义一定要明确规定 消息的边界 。

因为 TCP协议传输的是 字节流（bytes stream）， 如果消息中没有指定 边界 或者 长度，接收方就不知道一个完整的消息从字节流的 哪里开始，到 哪里结束。

具体的讲解，请参看上面链接的视频讲解。

指定消息的边界有两种方式：

可以用消息内容中不可能出现的字节串 （比如 FFFFFF） 作为消息的结尾字符。

比如在一个消息的最前面用2个字节表示本消息的长度。

UDP协议通常不需要指定消息边界，因为UDP是数据报协议，应用程序从socket接收到的必定是发送方发送的完整消息。

示例1

点击这里，边看视频讲解，边学习以下内容

我们现在要开发一个实验室的工作站监控系统，包括

这是我们白月黑羽实战班的 一个项目实战练习。

作为这个系统的设计者，你可以自行设计 RUS 和 AT 之间的数据传输规范，包括消息 数据格式规范。

下面是一种参考的规范：

实战班学员请联系老师获取详细的实战练习指导。

示例2

点击这里，边看视频讲解，边学习以下内容

示例1 中，我们给出的参考 接口， 传递的消息都是 放在一个大字符串里面， 然后采用字符串编码为 字节串进行传输的。

这种接口设计的好处就是简单，便于发送时的字节编码操作：消息头和消息体分别进行 UTF8编码，然后字节串拼接即可

接收方处理也简单，直接分离出消息头和消息体，分别进行UTF8解码即可。

我们设计普通应用程序之间的通信，这样就很好，简单就是美，容易开发，容易维护。

但是如果消息接口是在 秒理万机 的计算节点之间的通讯， 这样的接口的缺点就暴露了：消息长，而且编解码耗费处理器资源比较大。

典型的例子，就是通讯设备， 比如 4G核心网的业务处理节点。 它们每秒往往要处理数以万计的认证、鉴权、计费 等消息，采用上述方法会给设备带来巨大负担。

首先，数据都用字符表示，其实是比较浪费带宽的做法。

比如返回码 用 200 这样的字符串表示，就会耗费3个字节，24个比特。 如果处理结果 只有成功和不成功，只需要1个bit 即可， 1表示成功，0表示不成功

其次， json这种复杂语法的编解码算法，需要程序代码进行各种复杂处理（参考一下Python json内置库的代码）是比较耗费CPU 资源的。

可以定义更为简单的数据表达方式，比如像这样：

对比一下，第一种编码方法

优点：更节省传输带宽，编码解码数据效率更高

缺点：对于人的可读性差，数据表示灵活性较差；

支持多个客户端

上面的服务端代码 只能和一个客户端进行通信。

如果我们同时运行多个客户端，就会发现 后面的客户端程序不能和服务端连接成功。为什么呢？

因为，服务端程序必须不停的对 监听 socket 对象调用 accept()方法，才能不断的接受 新的客户端连接请求。

而且 还需要运行额外的代码 对 多个客户端连接后，返回的多个数据传输socket对象 进行数据的收发。

显然，我们上面的程序没有这样的处理。

因为缺省情况创建的 socket 是 阻塞式 的，进行 accpet调用时，如果没有客户端连接，程序就阻塞在此处，不再执行后续代码。

同样的，调用recv方法，如果没有数据在本socket的接收缓冲，也会阻塞。

所以，通常一个线程里面，没法 不断地 调用 监听socket的 accept方法，同时还能 负责多个 数据传输socket消息的收发。

那么让一个服务端程序 和多个客户端同时连接 并 通信 呢？

聪明的你一定想到了，一个线程不行，就使用多个线程啊。

我们 修改服务端的代码，如下

#  === TCP 服务端程序 server.py ， 支持多客户端 ===

# 导入socket 库
from socket import *
from threading import Thread

IP = ''
PORT = 50000
BUFLEN = 512

# 这是新线程执行的函数，每个线程负责和一个客户端进行通信
def clientHandler(dataSocket,addr):
    while True:
        recved = dataSocket.recv(BUFLEN)
        # 当对方关闭连接的时候，返回空字符串
        if not recved:
            print(f'客户端{addr} 关闭了连接' )
            break

        # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串
        info = recved.decode()
        print(f'收到{addr}信息： {info}')

        dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())

    dataSocket.close()

# 实例化一个socket对象 用来监听客户端连接请求
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# socket绑定地址和端口
listenSocket.bind((IP, PORT))

listenSocket.listen(8)
print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')

while True:
   # 在循环中，一直接受新的连接请求
   dataSocket, addr = listenSocket.accept()     # Establish connection with client.
   addr = str(addr)
   print(f'一个客户端 {addr} 连接成功' )

   # 创建新线程处理和这个客户端的消息收发
   th = Thread(target=clientHandler,args=(dataSocket,addr))
   th.start()

listenSocket.close()

多线程方式有个缺点。

如果一个服务端要同时处理大量的客户端连接，比如10000个，需要创建10000个线程。

而操作系统通常不可能为一个进程分配这么多的线程。

实际上，我们的服务端程序，大部分时间都是空闲的，都在等待连接请求，等待接受消息，根本不需要这么多的线程来处理。

这种程序通常被称之为 IO bound 程序，也就是说程序的主要时间都是花费在 IO 上面。

这种程序，其实一个线程就足够了。

关键问题是，需要这一个线程 很好的分配 时间， 在有连接请求到来的时候，执行处理连接请求代码，有消息到达socket缓冲的时候，执行读取处理消息的代码。

这种处理方式称之为异步IO。

Python 3 新增了 asyncio 库， 我们可以使用该库来 实现 同时处理多个客户端数据收发。

示例代码如下：

#  === TCP 服务端程序 server.py 异步支持多客户端 ===
import asyncio, socket
IP = ''
PORT = 50000
BUFLEN = 512

# 定义处理数据收发的回调
async def handle_echo(reader, writer):
    addr = writer.get_extra_info('peername')
    while True:
        data = await reader.read(100)
        if not data:
            print(f'客户端{addr}关闭了连接')
            writer.close()
            break

        message = data.decode()
        print(f'收到{addr}信息： {message}')

        writer.write(data)

loop = asyncio.get_event_loop()
coro = asyncio.start_server(handle_echo, IP, PORT, loop=loop)
server = loop.run_until_complete(coro)

# Serve requests until Ctrl+C is pressed
print('服务端启动成功，在{}端口等待客户端连接...'.format(server.sockets[0].getsockname()[1]))
try:
    loop.run_forever()
except KeyboardInterrupt:
    pass

# Close the server
server.close()
loop.run_until_complete(server.wait_closed())
loop.close()
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