python 服务器和客户端通信

python 实现TCP socket通信和 HTTP服务器、服务器和客户端通信实例

• socket是什么？
• 服务器和客户端通信的流程
• python 实现TCP socket通信例子
• 关于Host和PORT的设置
• socket函数
• socket编程思路
• 基于TCP socket的HTTP服务器
• 分析HTTP服务器代码
• 服务器的response文本
• 客户端的request文本
• 分析运行结果

 

socket是什么？

由下图可理解：Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

服务器和客户端通信的流程

由下图可理解服务器和客户端通信的流程：

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。

在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。

客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

网络中进程之间通信:

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程。

TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，

网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，

而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

一个socket包含四个地址信息: 两台计算机的IP地址和两个进程所使用的端口(port)。IP地址用于定位计算机，而port用于定位进程。

python 实现TCP socket通信例子

在互联网上，我们可以让某台计算机作为服务器。

服务器开放自己的端口，被动等待其他计算机连接。

当其他计算机作为客户，主动使用socket连接到服务器的时候，服务器就开始为客户提供服务。

在Python中，我们使用标准库中的socket包来进行底层的socket编程。

服务器端：使用bind()方法来赋予socket以固定的地址和端口，并使用listen()方法来被动的监听该端口。当有客户尝试用connect()方法连接的时候，服务器使用accept()接受连接，从而建立一个连接的socket：

import socket

HOST = ''
PORT = 8000

reply = 'Yes'

'''
socket.socket()创建一个socket对象，
并说明socket使用的是IPv4(AF_INET，IP version 4)
和TCP协议(SOCK_STREAM)。
'''
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))

s.listen(3)

conn, addr = s.accept()

request = conn.recv(1024)

print('request is:', request.decode())
print('Connected by:', addr)

conn.sendall(reply.encode())

conn.close()

客户端：主动使用connect()方法来搜索服务器端的IP地址和端口，以便客户可以找到服务器，并建立连接:

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8000

request = 'can you hear me?'

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))

'''
TypeError: a bytes-like object is required, not 'str'
解决办法：
str→bytes：encode()方法。str通过encode()方法可以转换为bytes。
bytes→str: decode()方法。bytes通过decode()方法可以转换为str。
'''
s.sendall(request.encode())

reply = s.recv(1024)

# send 函数的参数和 recv 函数的返回值都是 bytes 类型

print('reply is:', reply.decode())
s.close()

服务器端运行结果：

request is: can you hear me?
Connected by: ('127.0.0.1', 1489)

客户端运行结果：

reply is: 'Yes'

关于Host和PORT的设置

我本机的ipv4地址是10.1.173.8。我把服务器和客户端都放到一个电脑上。

我测试了一下，在客户端代码中，我设置HOST = ‘10.1.173.8’。

然后，运行客户端和服务器代码，产生和HOST = '127.0.0.1’同样结果。

也就是说，客户端的HOST，为客户端IP想要connect的IP。

为了证明这一想法，我把客户端设置成HOST = ‘10.1.172.1’

再次运行，出现报错：

s.connect((HOST, PORT))
TimeoutError: [WinError 10060] 由于连接方在一段时间后没有正确答复或连接的主机没有反应，连接尝试失败。

可见，如果没有两台计算机做实验，可以将客户端IP想要connect的IP改为"127.0.0.1"，这是个特殊的IP地址，用来连接当地主机。

而且，如果知道服务器的IP，那么也就可以在客户端直接设置HOST = 服务器的ip

下面我测试一下端口号PORT：

服务器端和客户端 端口号都相同时候，可以建立连接。而且端口的数不会影响连接，都是8000和都是8080，都能连上。

端口号不同就连接不上。

socket函数

服务端socket函数	描述
s.bind(address)	将套接字绑定到地址, 在AF_INET下,以元组（host,port）的形式表示地址.
s.listen(backlog)	开始监听TCP传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量。该值至少为1，大部分应用程序设为5就可以了。
s.accept()	接受TCP连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。

客户端socket函数	描述
s.connect()	主动初始化TCP服务器连接。一般address的格式为元组（主机/ip,port），如果连接出错，返回socket.error错误。
s.connect_ex()	connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共socket函数	描述
s.recv()	socket.recv(bufsize[, flags])，从套接字接收数据。返回值是表示接收到的数据的bytes对象。bufsize指定一次接收的最大数据量。一般为1024开始
s.send()	发送数据，将数据发送到socket套接字。(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)
s.sendall()	发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)
s.close()	关闭socket 套接字

socket编程思路

TCP服务端：

1 创建套接字，绑定套接字到本地IP与端口

# socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) , s.bind()

2 开始监听连接 #s.listen()

3 进入循环，不断接受客户端的连接请求 #s.accept()

4 然后接收传来的数据，并发送给对方数据 #s.recv() , s.sendall()

5 传输完毕后，关闭套接字 #s.close()

TCP客户端:

1 创建套接字，连接远端地址

​ # socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) , s.connect()

2 连接后发送数据和接收数据 # s.sendall(), s.recv()

3 传输完毕后，关闭套接字 #s.close()

基于TCP socket的HTTP服务器

上面的例子中，使用TCP socket来为两台远程计算机建立连接。

然而，socket传输自由度太高，从而带来很多安全和兼容的问题。

往往利用一些应用层的协议(比如HTTP协议)来规定socket使用规则，以及所传输信息的格式。

HTTP协议利用请求-回应(request-response)的方式来使用TCP socket。

客户端向服务器发一段文本作为request，服务器端在接收到request之后，向客户端发送一段文本作为response。

在完成了这样一次request-response交易之后，TCP socket被废弃。

下次的request将建立新的socket。

request和response本质上说是两个文本，只是HTTP协议对这两个文本都有一定的格式要求。

import socket

HOST = ''
PORT = 8000

text_content = b'''HTTP/1.x 200 OK  
Content-Type: text/html

<head>
<title>WOW</title>
</head>
<html>
<p>Wow, Python Server</p>
<IMG src="test.jpg"/>
</html>
'''
f = open('test.jpg', 'rb')
pic_content = b'''
HTTP/1.x 200 OK  
Content-Type: image/jpg

'''
pic_content = pic_content+f.read()
f.close()

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))

while True:
    s.listen(3)
    conn, addr = s.accept()
    request = conn.recv(1024)
    method = request.decode().split(' ')[0]
    src = request.decode().split(' ')[1]

    if method == 'GET':
        if src == '/test.jpg':
            content = pic_content
        else:
            content = text_content
        print('Connected by', addr)
        print('Request is:', request)
        conn.sendall(content)

    conn.close()

为了配合上面的服务器程序，在放置Python程序的文件夹里，保存了一个test.jpg图片文件。

在终端运行上面的Python程序，作为服务器端。

再打开一个浏览器作为客户端。

在浏览器的地址栏输入:127.0.0.1:8000，也可以用另一台电脑，并输入服务器的IP地址。

可以看到：

分析HTTP服务器代码

服务器的response文本

如我们上面所看到的，服务器会根据request向客户传输两条信息text_content和pic_content中的一条，作为response文本。

整个response分为**起始行(start line), 头信息(head)和主体(body)**三部分。

起始行就是第一行:

HTTP/1.x 200 OK

它实际上又由空格分为三个片段，HTTP/1.x表示所使用的HTTP版本，200表示状态(status code)，200是HTTP协议规定的，表示服务器正常接收并处理请求，OK是供人来阅读的status code。

头信息跟随起始行，它和主体之间有一个空行。这里的text_content或者pic_content都只有一行的头信息，text_content的头信息

Content-Type: text/html

表示主体信息的类型为html文本

而pic_content的头信息

Content-Type: image/jpg

说明主体的类型为jpg图片(image/jpg)。

主体信息为html或者jpg文件的内容。

(注意，对于jpg文件，我们使用’rb’模式打开，是为了与windows兼容。因为在windows下，jpg被认为是二进制(binary)文件，在UNIX系统下，则不需要区分文本文件和二进制文件。)

客户端的request文本

用浏览器作为客户端。

request由客户端程序发给服务器。

尽管request也可以像response那样分为三部分，request的格式与response的格式并不相同。

request由客户发送给服务器，比如下面是一个request：

GET /test.jpg HTTP/1.x
Accept: text/*

起始行可以分为三部分，第一部分为请求方法(request method)，第二部分是URL，第三部分为HTTP版本。

request method可以有GET， PUT， POST， DELETE， HEAD。最常用的为GET和POST。

GET是请求服务器发送资源给客户，

POST是请求服务器接收客户送来的数据。

当我们打开一个网页时，我们通常是使用GET方法；

当我们填写表格并提交时，我们通常使用POST方法。

第二部分为URL，它通常指向一个资源(服务器上的资源或者其它地方的资源)。

像现在这样，就是指向当前服务器的当前目录的test.jpg。

按照HTTP协议的规定，服务器需要根据请求执行一定的操作。

正如我们在服务器程序中看到的，我们的Python程序先检查了request的方法，随后根据URL的不同，来生成不同的response(text_content或者pic_content)。

随后，这个response被发送回给客户端。

分析运行结果

在服务器终端，可以看到浏览器发出的第一个请求：

Request is: b’GET / HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8000\r\n

服务器根据这个请求，发送给浏览器text_content的内容

浏览器接收到text_content之后，发现正文的html文本中有<IMG src="text.jpg" />，知道需要获得text.jpg文件来补充为图片，立即发出了第二个请求:

Request is: b’GET /test.jpg HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8000

服务器的Python程序分析过起始行之后，发现/test.jpg符合if条件，所以将pic_content发送给客户

Connected by ('127.0.0.1', 5186)
Request is: b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8000\r\nConnection: keep-alive\r\nCache-Control: max-age=0\r\nsec-ch-ua: "Chromium";v="94", "Microsoft Edge";v="94", ";Not A Brand";v="99"\r\nsec-ch-ua-mobile: ?0\r\nsec-ch-ua-platform: "Windows"\r\nUpgrade-Insecure-Requests: 1\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/94.0.4606.81 Safari/537.36 Edg/94.0.992.50\r\nAccept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3;q=0.9\r\nSec-Fetch-Site: none\r\nSec-Fetch-Mode: navigate\r\nSec-Fetch-User: ?1\r\nSec-Fetch-Dest: document\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate, br\r\nAccept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8,en-GB;q=0.7,en-US;q=0.6\r\n\r\n'
    
Connected by ('127.0.0.1', 8177)
Request is: b'GET /test.jpg HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8000\r\nConnection: keep-alive\r\nsec-ch-ua: "Chromium";v="94", "Microsoft Edge";v="94", ";Not A Brand";v="99"\r\nsec-ch-ua-mobile: ?0\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/94.0.4606.81 Safari/537.36 Edg/94.0.992.50\r\nsec-ch-ua-platform: "Windows"\r\nAccept: image/webp,image/apng,image/svg+xml,image/*,*/*;q=0.8\r\nSec-Fetch-Site: same-origin\r\nSec-Fetch-Mode: no-cors\r\nSec-Fetch-Dest: image\r\nReferer: http://127.0.0.1:8000/\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate, br\r\nAccept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8,en-GB;q=0.7,en-US;q=0.6\r\n\r\n'
    
Connected by ('127.0.0.1', 6015)
Request is: b'GET /favicon.ico HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8000\r\nConnection: keep-alive\r\nPragma: no-cache\r\nCache-Control: no-cache\r\nsec-ch-ua: "Chromium";v="94", "Microsoft Edge";v="94", ";Not A Brand";v="99"\r\nsec-ch-ua-mobile: ?0\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/94.0.4606.81 Safari/537.36 Edg/94.0.992.50\r\nsec-ch-ua-platform: "Windows"\r\nAccept: image/webp,image/apng,image/svg+xml,image/*,*/*;q=0.8\r\nSec-Fetch-Site: same-origin\r\nSec-Fetch-Mode: no-cors\r\nSec-Fetch-Dest: image\r\nReferer: http://127.0.0.1:8000/\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate, br\r\nAccept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8,en-GB;q=0.7,en-US;q=0.6\r\n\r\n'

第三个请求 是因为浏览器默认都会去请求favicon.ico图标

favicon.ico 图标用于收藏夹图标和浏览器标签上的显示

上面的服务器程序中，用while循环来让服务器一直工作下去。实际上，还可以根据多线程的知识，将while循环中的内容改为多进程或者多线程工作。