Python 基於 TCP 傳輸協議的網路通訊實現

2022 年 2 月 22 日
筆記
Python, socket, 套接字, 網路

1、基礎概念

什麼是網路編程？

指在網路環境中，如何實現不在同一物理位置中的電腦之間進行數據通訊

如果要保證數據通訊順利完成，則需要先了解如下幾個概念：

1.1 協議

不同電腦內的進程之間進行數據通訊時，需要先對數據進行封裝或打包後方可以進行傳輸。所謂協議指通訊雙方需要共同遵守的數據打包格式。

如同現實世界裡郵寄商品一樣：

商品相當於要傳送給對方的數據：在傳輸之前，需要商品擁有者對商品進行打包，並在打包時填寫上收件人地址、收什人姓名、發件人地址……這是第一次封裝，在此次封裝過程中遵守的打包格式是由商品打包者完成，這層打包標準可稱為應用層標準或應用層協議。
包裹會被物流公司收納，物流公司每天會收到需要發送至全國各地的包裹，所以，需要再次進行分檢，把發送至同一個地區的包裹收納在一起，並再次進行打包，並按相應的標準進行資訊填寫。可認為第二次打包的標準是郵局標準或郵局協議．
郵局打包後的包裹會發送至相關的運輸部門，運輸部門會把從不同郵局收集來的包裹按目的地進行歸類打包，再選擇不同運輸工具進行傳輸，可選擇飛機、貨車、火車……這次打包協議可稱為傳輸層協議。

協議是保證數據能被正確傳輸出去的第一操作要素，互聯網上所遵守的協議規範稱為 TCP/IP 協議。

1.2 IP 地址

在網路環境中，需要為每一台電腦指定一個地址，這個地址叫 IP 地址，其實 IP 地址是一個邏輯地址，而每一台電腦還有一個物理地址，便是網卡上的 MAC 地址。

IP 地址和 MAC 地址的區別？

MAC 地址相當於你我的身份證號碼，是固定、不變的。
IP 地址相當於你我現在處於的落腳地址．有的人在一年之內，可能會在不同城市工作，也就意味著邏輯地址是可以有多個的。

1.3 埠

一台電腦上可以安裝多款網路軟體，如 QQ、瀏覽器、網路遊戲……

作業系統如何區分同一時刻自於網路的多個數據應該交給哪一個軟體處理？

埠相當於作業系統為每一個網路軟體分配的一個門牌標識符號，用來把從網路上輸入進來的多數據流正確的分流到對應的進程。

當一台電腦向另一台電腦發送數據時:

首先對數據按協議格式進行打包

另需要知道對方電腦的地址且還要知道對應進程所監聽的埠號．IP+埠號也稱為套接字,或叫 socket

有點類似於拜訪朋友時:

先封裝一個禮物盒

然後根據朋友告訴自己的地址和門牌號前去拜訪

2、TCP 網路編程實現

TCP 是一種傳輸層協議，是可靠的面向連接的傳輸層協議.

2.1 伺服器端編程

定義一個函數用來進行具體的數據交互,由子執行緒調用.

import socket   # socket 模組
import  time  #時間模組
import  threading  #執行緒模組
def session(sock, addr):
    print('歡迎新 %s:%s...' % addr)
    sock.send(b'Welcome!')
    while True:
        data = sock.recv(1024)
        time.sleep(1)
        # 解碼數據
        if not data or data.decode('utf-8') == 'exit':
            break
        sock.send(('Hello, %s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8'))
    sock.close()
    print('來自於 %s:%s 連接被關閉.' % addr)

創建 socket 監聽對象:

#創建 TCP socket
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#監聽埠
server.bind(('127.0.0.1',1234))
server.listen(5)
print('伺服器正在等待客戶的連接……')


建立服務監聽套接字,需要指定服務類型:

socket.AF_UNIX	只能夠用於單一的Unix系統進程間通訊
socket.AF_INET	伺服器之間網路通訊
socket.AF_INET6	IPv6
socket.SOCK_STREAM	流式socket , for TCP
socket.SOCK_DGRAM	數據報式socket , for UDP
socket.SOCK_RAW	原始套接字，普通的套接字無法處理ICMP、IGMP等網路報文，而SOCK_RAW可以；其次，SOCK_RAW也可以處理特殊的IPv4報文；此外，利用原始套接字，可以通過IP_HDRINCL套接字選項由用戶構造IP頭。
socket.SOCK_SEQPACKET	可靠的連續數據包服務

while True:
    # 接受一個新連接:
    sock, addr = s.accept()
    # 創建新執行緒來處理TCP連接:
    t = threading.Thread(target=session, args=(sock, addr)) t.start()

當有客戶連接後,啟動執行緒完成具體的數據處理.

2.2 客戶端編程

客戶端程式碼相對而言較簡單.

import socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立連接:
client.connect(('127.0.0.1', 1234))
# 接收歡迎消息:
print(client.recv(1024).decode('utf-8'))
for data in [b'Rose', b'Think', b'Babala']:
    # 發送數據:
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.send(b'exit')
s.close()

測試結果：

伺服器端

客戶端:

3 總結

Python 提供了相關的模組，封裝了底層的具體程式碼邏輯，對於開發者而言，只需要按流程按部就班就可以，如果需要更好的理解整個網路通訊的過程，則需要了解相關的網路知識.

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