Python全栈开发之网络编程

No.1 TCP/IP

早期的计算机网络，都是由厂商规定自己的通信协议，互不兼容，为了把全世界不同类型的计算机连接起来，就必须规定一套全球通用的协议，所以就出现了TCP/IP

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No.2 Socket简介

要解决怎么标识一个进制，在一台电脑上可以同pid标识进程，但是在网络上是做不到的，其实TCP/IP就帮我们解决了这个问题，网络层的IP可以标识在网络上的主机，而传输层的协议+端口就可以标识主机中

什么是Socket

socket是进程通信的的一种方式，它与其他进程通信的不同是，它能实现不同主机之间的进程通信，我们网络的应用大多数都是采用这种方式进行通信的

创建Socket

在Python中使用socket模块

import socket
socket.socket(AddressFamily, Type)

函数socket可以创建一个socket对象，该函数存在两个参数

Address Family：可以选择 AF_INET(用于 Internet 进程间通信) 或者 AF_UNIX(用于同一台机器进程间通信),实际工作中常用AF_INET

Type：套接字类型，可以是 SOCK_STREAM(流式套接字，主要用于 TCP 协议)或者 SOCK_DGRAM(数据报套接字，主要用于 UDP 协议)

创建一个tcp套接字

import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.close()

创建一个udp套接字

import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.close()

Socket函数

bind(address) 将套接字绑定到地址，在AF_INET下，以元祖(hsot，port)的形式表示地址
listen(backlog) 开始监听TCP传入连接，backlog指定可以挂起的最大连接数
accept() 接收TCP连接并返回(conn，address)，其中conn是新的套接字对象，address是连接客户端的地址
connect(address) 连接到address处的套接字，以元祖(hsot，port)的形式表示地址，连接出错返回socket.error错误
connect_ex(address) 功能与s.connect(address) ，但是成功返回0，失败返回errno的值
recv(bufsize[,flag]) 接收TCP套接字的数据，数据以字节形式返回，bufsize指定接收的最大数据量，flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略
send(string[,flag]) 发送TCP数据，将string中的数据发送到连接的套接字，返回值是要发送的字节数量
sendall(string[],flag) 完整的发送TCP数据，返回之前会尝试发送所有数据，成功返回Nonne，失败抛出异常
recvfrom(bufsize[,flag]) 接收UDP套接字的数据，与s.recv()类似，但返回值是(data，address)，data表示接收的数据，address表示发送数据的套接字地址
sendto(string[,flag],address) 发送UDP数据，将数据发送到套接字，address是形式为(ipaddr，port)的元组，返回值是发送的字节数
close() 关闭套接字
getpeername() 返回连接套接字的远程地址，返回值是形式为(ipaddr，port)的元组
getsockname() 返回u套接字自己的地址，返回值是形式为(ipaddr，port)的元组
setsockopt(level,optname,value) 设置给定套接字选项的值
setsockopt(level,optname[.buflen]) 返回套接字选项的值
settimeout(timeout) 设置套接字及操作的朝时期，tiemout为一个浮点数，单位是秒，值为None表示永远没有朝时期
setblocking(flag) 如果flag为0，则将套接字设为非阻塞模式，非阻塞模式下，如果调用recv()没有接收到任何数据，或send()无法发送数据，将引起socket.error异常

No.3 TCP的三次握手和四次挥手

No.4 TCP收发数据

客户端

from socket import *

# 创建socket
tcp_client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# 目的信息
server_ip = input("请输入服务器ip:")
server_port = int(input("请输入服务器port:"))
# 链接服务器
tcp_client_socket.connect((server_ip, server_port))
# 提示用户输入数据
send_data = input("请输入要发送的数据：")
tcp_client_socket.send(send_data.encode("gbk"))
# 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
recvData = tcp_client_socket.recv(1024)
print('接收到的数据为:', recvData.decode('gbk'))
# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()

服务端

from socket import *

# 创建socket
tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# 绑定
tcp_server_socket.bind(('',9420))
# 使用socket创建的套接字默认的属性是主动的，使用listen将其变为被动的，这样就可以接收别人的链接了
tcp_server_socket.listen(128)
# 等待连接，产生一个新的socket
client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
# 接收对方发送过来的数据
recv_data = client_socket.recv(1024)  # 接收1024个字节
print('接收到的数据为:', recv_data.decode('gbk'))
# 发送一些数据到客户端
client_socket.send("thank you !".encode('gbk'))
# 关闭套接字，只要关闭了，就意味着为不能再为这个客户端服务了，如果还需要服务，只能再次重新连接
client_socket.close()
tcp_server_socket.close()

No.5 TCP文件下载

客户端

from socket import *

def main():
    tcp_client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    server_ip = input("请输入服务器ip:")
    server_port = int(input("请输入服务器port:"))
    tcp_client_socket.connect((server_ip, server_port))
    file_name = input("请输入要下载的文件名：")
    tcp_client_socket.send(file_name.encode("utf-8"))
    msg = ''
    while True:
        recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
        msg += recv_data.decode('utf-8')
        if len(recv_data) < 1024:
            break
    if msg:
        with open(file_name + 'bak', "w") as f:
            f.write(msg)

    tcp_client_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    main()

服务端

from socket import *
import sys

def get_file_content(file_name):
    """获取文件的内容"""
    try:
        with open(file_name, "rb") as f:
            content = f.read()
        return content
    except:
        print("没有下载的文件:%s" % file_name)

def main():
    tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcp_server_socket.bind(('',9420))
    tcp_server_socket.listen(128)

    while True:
        client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
        recv_data = client_socket.recv(1024)
        file_name = recv_data.decode("utf-8")
        print("对方请求下载的文件名为:%s" % file_name)
        file_content = get_file_content(file_name)
        if file_content:
            client_socket.send(file_content)
        client_socket.close()
    tcp_server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    main()

No.6 TCP的长连接和短连接

TCP长连接

client向server发起连接

server接收到请求，双方建立连接

client向server发送消息

server回应client

一次读写完毕，连接继续

直到client发起关闭请求

TCP短连接

client向server发起连接

server接收到请求，双方建立连接

client向server发送消息

server回应client

一次读写完成，client发起断开连接请求

TCP长/短连接的工作流程

长连接

短连接

TCP长/短连接的优缺点

长连接可以省去较多的TCP创建和关闭的操作，减少浪费，节约时间，对于频繁请求资源的场景来说，适合用长连接，但是随着客户端连接越来越多，server端早晚扛不住，这时候就需要采取一些策略，例如关闭一些长时间没有读取的连接，这样可以避免恶意连接，还可以限制每个客户端的最长连接数，这样可以避免某个客户端拖后腿，短连接控制简单，不需要控制手机，但是如果客户频繁的请求资源，那就比较操蛋了，浪费时间，浪费带宽

TCP长/短连接的适用场景

长连接适用于操作频繁，点对点的的通讯，而且连接数不是太多的情况，每个TCP需要三次握手，如果每个操作都是先连接，再操作，会浪费很长的时间，所以每个操作之后我们就不给它断开，再次操作直接发送请求就可以了，例如，数据库

像WEB网站的http服务一般采用短连接，因为长连接对服务器占用的资源太多，而且http服务的连接数一般不会太少，服务器难说能扛得住，所以并发量高的场景，最好采用短连接

No.7 UDP收发数据

from socket import *

udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
dest_addr = ('', 9420)
send_data = input("请输入要发送的数据:")
udp_socket.sendto(send_data.encode('utf-8'), dest_addr)
recv_data = udp_socket.recvfrom(1024) 
print(recv_data[0].decode('gbk'))
print(recv_data[1])
udp_socket.close()

No.8 UDP聊天室

import socket

def send_msg(udp_socket):
    msg = input("\n请输入要发送的数据:")
    dest_ip = input("\n请输入对方的ip地址:")
    dest_port = int(input("\n请输入对方的port:"))
    udp_socket.sendto(msg.encode("utf-8"), (dest_ip, dest_port))

def recv_msg(udp_socket):
    recv_msg = udp_socket.recvfrom(1024)
    recv_ip = recv_msg[1]
    recv_msg = recv_msg[0].decode("utf-8")
    print(">>>%s:%s" % (str(recv_ip), recv_msg))

def main():
    udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    udp_socket.bind(("", 9420))
    while True:
        print("="*30)
        print("1:发送消息")
        print("2:接收消息")
        print("="*30)
        op_num = input("请输入要操作的功能序号:")
        if op_num == "1":
            send_msg(udp_socket)
        elif op_num == "2":
            recv_msg(udp_socket)
        else:
            print("输入有误，请重新输入...")

if __name__ == "__main__":
    main()

No.9 TCP和UDP

TCP特点

面向连接，通信双方必须建立连接才能进行数据的传输，双方必须为对象分配必要的系统资源，TCP发送的每个报文段都必须得到接收方的应答才认为传输成功，发送端如果在规定时间内没有收到接收端的应答，发送端会将报文段重新发送，TCP还会进行数据校验，还会通过流量控制机制避免主机发送太快而让接收端接收不到数据，完成数据交换后，通信双方必须断开连接，以释放系统资源，这种连接是点对点的，因此TCP不适用广播应用程序

UDP特点

 UDP并不提供对IP协议的可靠机制、流控制以及错误恢复功能等，由于UDP比较简单， UDP头包含很少的字节，比 TCP 负载消耗少，UDP 适用于不需要 TCP 可靠机制的情形，QQ就是采用的UDP协议

通信模型

TCP

UDP