[网络协议]Python之TCP网络编程(Socket)

1. 开发流程

TCP 网络应用程序开发流程的介绍

1.1 客户端开发流程说明：

1. 创建socket
2. 和服务端建立连接
3. 发送数据
4. 接收数据
5. 结束通信，关闭套接字

1.2 服务端开发流程说明：

1. 创建socket
2. 绑定端口号(可设置端口可重用)
3. 设置监听
4. 等待客户端连接，收到连接后，返回一个为本次服务的socket和其地址元组
5. 结束数据
6. 返回数据
7. 关闭本次连接的socket，结束通信
8. 关闭服务(不是长链接的话，一般情况下服务是不回关的)

2. 开发步骤

2.1 客户端开发步骤

# 1.导包
import socket

# 2.创建socket
"""
    family: 表示IP地址类型, 分为TPv4和IPv6。AF_INET表示ipv4
    type:表示传输协议。SOCK_STREAM表示TCP协议
    
    具体这些参数还有哪些可选择的值，请参考：https://docs.python.org/zh-cn/3/library/socket.html
"""
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 3. 和服务端建立连接 the address is a pair (host, port).
client.connect(("localhost",8080))

# 4. 发送数据 bytes类型
client.send("Hello Server".encode("utf8"))

# 5. 接收数据  eceive up to buffersize bytes from the socket
recv_data = client.recv(1024)
print("recv:", recv_data.decode("utf8"))

# 6. 结束连接
client.close()

2.2 服务端开发步骤

# 1. 导包
import socket

# 2. 建立连接
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 3. 绑定ip和端口 address
server.bind(("localhost",8080))
# 3.1 设置端口可重用，不然服务器关闭后几分钟之后才会关闭绑定的端口
"""
    参数说明：
        level：操作socket的级别，若要在API级别操作，选择SOL_SOCKET
        option:操作项，这里是SO_REUSEADDR 标志告诉内核将处于 TIME_WAIT 状态的本地套接字重新使用，而不必等到固有的超时到期
        value:用于访问setsockopt（）的选项值,文档里面是默认给1或者True
"""
server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
# 4. 设置监听,128为最大连接数
server.listen(128)
while True:
    # 5. 等待客户端连接,收到连接后会返回一个专门服务与本次连接的socket和一个地址元组address
    client_socket,address = server.accept()
    # 6. 接收数据
    recv_data = client_socket.recv(1024)
    print(len(recv_data))  # 一般也通过这种判断长度是否等于0的方式判断服务端是否收到客户端的数据
    print("recv:",recv_data.decode("utf8"))
    # 7. 响应数据
    client_socket.send(f"已收到您({address})的请求，本次连接将关闭".encode("utf8"))
    # 8. 关闭本次连接
    client_socket.close()

# 9.如果需要关闭服务器的话
# server.close()

3. 原理

3.1 缓冲区

当创建一个TCP socket对象的时候会有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这个发送和接收缓冲区指的就是内存中的一片空间。

3.2 send的原理

要想发数据，必须得通过网卡发送数据，应用程序是无法直接通过网卡发送数据的，它需要调用操作系统接口，也就是说，应用程序把发送的数据先写入到发送缓冲区(内存中的一片空间)，再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡 。

3.3 recv的原理

要想收数据,应用软件是无法直接通过网卡接收数据的，它需要调用操作系统接口，由操作系统通过网卡接收数据，把接收的数据写入到接收缓冲区(内存中的一片空间），应用程序再从接收缓存区获取客户端发送的数据。

4. 自定义简单的静态服务器

4.1 代码如下

import socket
import threading

import sys

"""
使用socket自定义HttpServer
"""
class HttpServer:

    def __init__(self,port, **kwargs):
        self._server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        self._server.bind(("localhost", port))
        self._server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
        self._server.listen(128)
        print(f"服务启动，访问地址为: localhost:{port}")


    @staticmethod
    def handle_request(client_socket, address):
        recv_data = client_socket.recv(1024)
        if len(recv_data) == 0:
            print(f'{address}即将关闭！')
            client_socket.close()
            return

        r_data = recv_data.decode("utf8")
        # 解析数据
        headers = r_data.split(" ", maxsplit=2)  # 截取最前面的一行（消息头） GET /ac HTTP/1.1
        url = headers[1]
        # 根据url返回信息
        if "/go" == url:
            send_data = ""
            # 读取页面
            with open('welcome.html','rb') as f:
                send_temp_data = f.read().decode("utf8")
            # 渲染模板
            send_data = send_temp_data.replace("{{content}}", address[0])

        else:
            send_data = ""
            # 读取页面
            with open('other.html','rb') as f:
                send_data = f.read().decode("utf8")
        # 响应数据
        # 拼接响应头
        resp_line = "HTTP/1.1 200 OK\r\n"
        resp_head = "Server: PWS1.0\r\n"
        client_socket.send((resp_line+ resp_head + "\r\n").encode("utf8") +send_data.encode("utf8"))
        client_socket.close()


    def start(self):
        while True:
            client_socket,address = self._server.accept()
            t = threading.Thread(group=None, target=self.handle_request, args=(client_socket, address))
            t.setDaemon(True)
            t.start()

    def stop(self):
        self._server.close()


def main():
    # 验证参数
    # 若使用 python xxx.py 8080 命令，那么argv[0] = xxx.py, argv[1] = 8080
    # print(sys.argv)
    args = sys.argv
    if len(args) != 2:
        print("参数有误，需要格式为 python HttpServer.py 8080")
        return

    # 判断字符串是否都是数字组成
    if not sys.argv[1].isdigit():
        print("执行命令如下: python HttpServer.py 8080")
        return
    # 获取端口号
    port = int(sys.argv[1])
    try:
        server = HttpServer(port=port)
        server.start()
    except KeyboardInterrupt:
        server.stop()


if __name__ == '__main__':
    main()

4.2 数据文件

welcome.html 和 other.html 文件都在HttpServer.py 同级目录

<!-- welcome.html -->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Welcome</title>
</head>
<body>
    <h1>Welcome your visit!</h1>
    <h1>{{content}}</h1>
</body>
</html>

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>ERROR</title>
</head>
<body>
    <h1>找不到页面</h1>
</body>
</html>

4.3 访问方式

1. 和通过手动创建HttpServerd对象，通过 对象.start() 使用
2. 通过命令行启动服务，命令格式如下：

python HttpServer.py 8080

接下来就可以通过浏览器访问 localhost:8080/go，就能看到效果了