Python Socket编程详解


Posted in Python onApril 25, 2021

背景

关于Python Socket编程,首先需要了解几个计算机网络的知识,通过以下的几个问题,有助于更好的理解Socket编程的意义,以及整个框架方面的知识:

TCP和UDP协议本质上的区别?

TCP协议,面向连接,可靠,基于字节流的传输层通信协议;UDP协议无连接,不可靠,基于数据包的传输层协议。

TCP协议在建立连接的过程需要经历三次握手,断开连接则需要经历四次挥手,而这建立连接的过程增加了传输过程中的安全性。
而建立连接的过程则会消耗系统的资源,消耗更多的时间,而相比较UDP协议传输过程则不会出现这种问题。

总结来讲,基于TCP协议传输,需要不断的确认对方是否收到信息,从而建立连接(确认过程次数有限制,即三次握手),UDP协议传输则
不需要确认接收端是否收到信息,只需要将信息发给对方。

TCP/IP协议栈、HTTP协议、Socket之间的区别和联系?

TCP/IP协议栈就是一系列网络协议,可以分为四层模型来分析:应用层、传输层、网络层、链路层;

HTTP协议(超文本传输协议)就是在这一协议栈中的应用层协议;HTTP协议简单来说,它的作用就是规范数据的格式,让程序能够方便的识别,并且收发双方都需要遵循同样的协议格式进行数据传输。(应用层的协议也和HTTP协议的作用类似,不一样的是定义不同的数据格式。)

Socket可以理解为TCP/IP协议栈提供的对外的操作接口,即应用层通过网络协议进行通信的接口。Socket可以使用不同的网络协议进行端对端的通信;

TCP Socket服务器的通信过程?

Server端:

建立连接(socket()函数创建socket描述符、bind()函数绑定特定的监听地址(ip+port)、listen()函数监听socket、accept()阻塞等待客户端连接)

数据交互(read()函数阻塞等待客户端发送数据、write()函数发送给客户端数据)

Client端:

建立连接(socket()函数创建socket描述符、connect()函数向指定的监听地址发送连接请求)

数据交互(wirte()函数发送服务端数据、read()函数足阻塞等待接受服务端发送的数据)

socket和websocket之间的联系?

webosocket是一种通信协议,不同于HTTP请求,客户端请求服务端资源,服务端响应的通信过程;websocket允许服务端主动
向客户端推送消息,同时做到客户端和服务端双向通讯的协议。(具体底层原理有待后面实践,暂时未接触)

HTTP,WSGI协议的联系和区别?

HTTP协议(超文本传输协议),属于TCP/IP协议栈中应用层的协议。用于规范传输数据的格式,是一种客户端和服务端传输的规则。

WSGI协议则是Python定义的Web服务器和框架程序通信的接口规则。两者联系不大,强行说的话,Python框架程序主要处理的是HTTP请求。

(后期可以实现一个WSGI协议的Python框架,用于处理HTTP请求的实验。)

主流Web框架,异步Web框架?

主流Web框架:Django、Flask

异步Web框架:Tornado(内置异步模块)、Snaic(Python自带asyncio)、FastAPI(基于Starlette库) 、aiohttp(基于asyncio)

asyncio,aiohttp之间的联系?(异步编程)

asyncio是一个异步IO库,aiohttp就是基于asyncio的异步HTTP框架(支持客户端/服务端)

代码设计

Python提供了基本的socket模块:

  1. socket模块;提供了标准的BSD Sockets API;
  2. socketserver模块:提供了服务器中心类,简化服务器的开发;

TCP Socket服务端

socket模块:

# -*- coding: utf-8 -*-
from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM

def echo_handler(sock ,address):
	print("Get Connection from address:", address)

	while True:
		response = sock.recv(8192)
		if not response:
			break
		print(f"Got {response}")
		sock.sendall(response)

def echo_server(address, back_log=5):
	sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
	sock.bind(address)
	sock.listen(back_log)

	while True:
		sock_client, address = sock.accept()
		echo_handler(sock_client, address)

if __name__ == "__main__":
	echo_server(('localhost', 5000))

代码详解:

  • 创建一个基于IPV4和TCP协议的Socket,这里AF_INET指的是使用IPV4协议,SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议,绑定监听端口,设置等待连接的最大数量
  • 创建一个永久循环,获取客户端请求的连接,accept()会等待并返回一个客户端的连接;
  • 连接建立后,等待客户端数据,接受完客户端数据,然后返回数据给客户端,最后关闭连接

存在的问题:当出现多个客户端请求时,由于是单个线程会发生阻塞的情况,所以如果需要多线程处理多个客户端请求,可以这样改;

from threading import Thread

while True:
        client_sock, address = sock.accept()
        thread = Thread(target=echo_handler, args=(client_sock, address))
        thread.start()

这样的话,就会在每个客户端请求的时候,生成一个子线程然后处理请求;
(但是存在一个问题:当突然大量请求连接,消耗系统资源达到上限后,很可能造成程序无法处理后续请求。)

socketserver模块:

from socketserver import BaseRequestHandler, TCPServer

class EchoHandler(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection From: %s" % str(self.client_address))
        while True:
            msg = self.request.recv(8192)
            if not msg:
                break
            self.request.send(msg)

if __name__ == "__main__":
    server = TCPServer(("", 5000), EchoHandler)
    server.serve_forever()
from socketserver import StreamRequestHandler, TCPServer, ThreadingTCPServer
import time

class EchoHandler(StreamRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection Address: %s" % str(self.client_address))
        for line in self.rfile:
            print(line)
            self.wfile.write(bytes("hello {}".format(line.decode('utf-8')).encode('utf-8')))

if __name__ == "__main__":
    serv = ThreadingTCPServer(("", 5000), EchoHandler)
    serv.serve_forever()

代码详解:

  • 处理多个客户端,初始化一个ThreadingTCPServer实例;
  • 设置绑定的IP地址和端口,以及处理类;
  • 使用StreamRequestHandler(使用流的请求处理程序类,类似file-like对象,提供标准文件接口简化通信过程),重写里面的handle方法,获取请求数据,返回数据给客户端;

TCP Socket客户端

socket模块:

# -*- coding: utf-8 -*-
from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM
import time

def request_handler():
	start_time = time.time()
	sock_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
	sock_client.connect(('localhost', 5000))
	
	book_content = ""
	with open("send_books.txt", "r") as f:
		book_content = f.read()
	
	content_list = book_content.split("\n")
	for content in content_list:
		if content:
			sock_client.send((content).encode())
			time.sleep(2)
			response = sock_client.recv(8192)
			print(response)

	end_time = time.time()
	print("总共耗时:", end_time-start_time)

		

if __name__ == "__main__":
	request_handler()

UDP Socket

Socket模块:

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM
import time

def time_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    sock.bind(address)

    while True:
        msg, addr = sock.recvfrom(8192)
        print('Get message from', addr)
        resp = time.ctime()
        sock.sendto(resp.encode('ascii'), addr)

if __name__ == "__main__":
    time_server(('', 5000))

代码不详解,和之前的差不多,注意不同的协议就完事了

客户端测试:

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM

if __name__ == "__main__":
    s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    s.sendto(b'hello', ('localhost', 5000))
    text = s.recvfrom(8192)
    print(text)

socketserver模块:

from socketserver import BaseRequestHandler, UDPServer
import time


class TimeHandler(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection %s".format(str(self.client_address)))
        data = self.request[0]
        print(data)
        msg, sock = self.request
        print(msg)
        data = time.ctime()
        sock.sendto(data.encode('ascii'), self.client_address)

if __name__ == "__main__":
    u = UDPServer(("localhost", 9999), TimeHandler)
    u.serve_forever()

代码不在赘述,如果需要多线程处理并发操作可以使用ThreadingUDPServer

总结

关于本篇介绍Python Socket编程,大都是皮毛,只是谈到了Python实际处理socket的几个模块,
关于socket底层方面的知识并未提及,先了解个大概,从实际使用方面出发,在实际使用过程中结合
计算机网络知识,能够对socket在整个TCP/IP协议栈中的作用。

socket和socketserver模块都可以用来编写网络程序,不同的是socketserver省事很多,你可以专注
业务逻辑,不用去理会socket的各种细节,包括不限于多线程/多进程,接收数据,发送数据,通信过程。

以上就是Python Socket编程详解的详细内容,更多关于Python Socket编程的资料请关注三水点靠木其它相关文章!

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