Python 中的套接字编程：初学者指南

1. 在 Python 中如何实现 Socket 编程
2. 如何在 Python 的 Socket 编程中创建服务器
3. 在 Python 中使用 UDP 协议进行套接字编程
4. 结论

通常，当我们编写程序时，我们不需要与其他程序或计算机进行通信。

但是，我们可能需要与其他计算机通信以创建具有服务器-客户端架构的信使或其他应用程序。为了创建这样的应用程序，我们可以使用 Python 中的套接字编程。

本文将讨论 Python 中套接字编程的基础知识。我们还将使用 TCP 和 UDP 协议的套接字编程分别实现一个简单的消息应用程序。

Python 中的套接字是什么

当两个应用程序或进程交互时，它们使用指定的通信通道。套接字是此类通信通道的端点或入口点。

我们可以使用套接字在两个进程之间、一个进程内或不同机器上的进程之间建立通信通道。有不同类型的套接字，例如 TCP 套接字、UDP 套接字和 UNIX 域套接字。

在 Python 中如何实现 Socket 编程

Python 为我们提供了 socket 模块来实现套接字编程。socket 模块是标准 Python 库的一部分，它提供了你可以在 Python 中创建套接字的所有函数和方法。

你不需要在你的机器中显式下载 socket 模块，你可以使用如下 import 语句直接将其导入你的程序中。

import socket

要实现套接字编程，我们需要创建两个使用套接字进行通信的进程。

其中一个程序用作服务器，另一个程序用作客户端。服务器和客户端都有不同的功能。因此，我们在创建服务器和客户端进程时使用不同的功能。

让我们一一讨论如何创建服务器和客户端进程。

如何在 Python 的 Socket 编程中创建服务器

要创建服务器，我们将首先创建一个套接字。为此，我们使用 socket() 方法。

创建一个套接字：socket() 方法

socket() 方法的语法如下。

socket.socket(family=socket.AF_INET,type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)

这里，

• 参数 family 表示套接字所属的地址族。默认情况下，它是 AF_INET，并使用 Internet 协议版本 4 (IPv4) 地址创建一个套接字。你可以使用其他地址系列，例如用于 UNIX 地址的 AF_UNIX 和用于 Internet 协议版本 6 (IPv6) 地址的 AF_INET6。
• 参数 type 表示套接字类型。默认情况下，它的值 SOCK_STREAM 表示套接字将遵循面向连接的 TCP 协议。你可以使用 SOCK_DGRAM 创建遵循 UDP 协议的数据报套接字。
• 参数 proto 表示协议号，通常为 0。如果在参数族中使用地址族 AF_CAN，则协议号应为 CAN_RAW、CAN_BCM、CAN_ISOTP 或 CAN_J1939 之一。
• 参数 fileno 包含默认值 None。如果我们在 fileno 中指定文件描述符，参数 family、type 和 proto 的值会自动从文件描述符中检测。

创建套接字后，我们使用 bind() 方法将其绑定到地址和端口号。

将套接字绑定到地址：bind() 方法

使用 socket() 函数，在我们创建的套接字对象上调用 bind() 方法。

它需要一个包含套接字将绑定到的地址的元组。地址的格式可能会因你选择的地址系列而异。我们将创建一个地址族为 AF_INET 的套接字。因此，地址将包含主机名和端口号。

bind() 方法的语法如下。

bind((hostname,port))

你可以明确指定主机名。如果你在本地机器上创建服务器，你可以将主机名指定为 localhost 或 127.0.0.1，这是 localhost 地址的默认值。

或者，你可以使用 gethostname() 方法获取主机名。对于参数 port，你可以使用大于 1024 且小于 65535 的任何端口号。

将套接字绑定到地址后，服务器会监听客户端的连接请求。为此，我们使用 listen() 方法。

监听连接：listen() 方法

listen() 方法的语法如下。

listen(backlog)

这里，参数 backlog 表示在拒绝新连接之前系统将允许的最大未接受连接数。

执行 listen() 方法后，服务器准备好接受连接。

接受连接请求：accept() 方法

服务器不断地在无限循环中运行，并监听客户端请求以接受来自客户端的连接。一旦找到客户端请求，服务器使用 accept() 方法接受请求。

accept() 方法返回一个元组 (client, address)。在这里，client 表示我们用来发送和接收消息的新套接字对象。地址 是绑定客户端套接字的位置。

与客户端通信：send() 和 recv() 方法

接受连接后，服务器可以与客户端进行通信。

我们使用 send() 方法向客户端发送消息。send() 方法在 accept() 方法返回的 client 对象上调用。

我们使用 recv() 方法来接收消息。recv() 方法，当在 client 对象上调用时，接受一个数字，表示它可以从连接中读取的最大字节数。执行后，返回从连接中读取的数据。

所有操作完成后，我们需要关闭连接。为此，我们在 accept() 方法返回的 client 对象上调用 close() 方法。

在讨论了创建服务器所需的所有方法之后，让我们创建一个服务器进程。

import socket

mySocket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)
print("Socket created.")
hostname = 'localhost'
portno = 9999
mySocket.bind((hostname, portno))
print("Socket bound to address {} and port number {}".format(hostname, portno))
mySocket.listen(5)
print("Listening for client.")
while True:
    client, client_addr = mySocket.accept()
    print("Connection established with client at address {}".format(client_addr))
    msg = client.recv(1024).decode()
    print("Message received from the client:")
    print(msg)
    print("Sending acknowledgment to the client.")
    msg_out = "Message received: {}. Thank you.".format(msg).encode()
    client.send(msg_out)
    print("Terminating the connection.")
    client.close()
    break

现在我们已经创建了一个服务器，让我们创建一个将与服务器通信的客户端进程。

如何在 Socket 编程中创建客户端

要创建客户端，我们首先需要使用 socket() 方法创建一个套接字，就像我们在创建服务器时所做的那样。请记住，为客户端套接字定义的协议应该与服务器套接字相同。否则，程序将无法按预期运行。

创建套接字后，我们需要将其连接到服务器。为此，我们将使用 connect() 方法。

连接到服务器：connect() 方法

connect() 方法的语法如下。

connect((host, port))

这里，参数 host 表示服务器的地址。参数 port 表示创建服务器套接字的端口号。在创建服务器时，你应该为提供给 bind() 方法的主机和端口参数提供与输入相同的值。

与服务器通信

连接到服务器后，你可以使用 send() 和 recv() 方法与服务器通信。最后，这将有助于使用 close() 方法从客户端关闭连接。

以下是我们将用于创建客户端进程的客户端程序。

import socket

mySocket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)
print("Socket created.")
hostname = 'localhost'
portno = 9999
mySocket.connect((hostname, portno))
print("Connection established with the server.")
msg = "Hi I am a TCP client created by Aditya."
print("Sending msg to the server:", msg)
mySocket.send(msg.encode())
msg_in = mySocket.recv(1024).decode()
print("Acknowledgment received from the server:")
print(msg_in)
print("Terminating the Connection.")
mySocket.close()

创建服务器和客户端后，让我们现在运行程序。请记住，你应该同时运行客户端程序和服务器程序，以便两个进程可以同时处于活动状态并相互通信。

带有服务器程序的终端中的输出将如下所示：

Socket created.
Socket bound to address localhost and port number 9999
Listening for client.
Connection established with client at address ('127.0.0.1', 37958)
Message received from the client:
Hi I am a TCP client created by Aditya.
Sending acknowledgment to the client.
Terminating the connection.

带有客户端程序的终端中的输出将如下所示：

Socket created.
Connection established with the server.
Sending msg to the server: Hi I am a TCP client created by Aditya.
Acknowledgment received from the server:
Message received: Hi I am a TCP client created by Aditya.. Thank you.
Terminating the Connection.

在 Python 中使用 UDP 协议进行套接字编程

在前面的部分中，我们在连接中创建了遵循 TCP 协议的套接字。在 TCP 协议中，客户端和服务器之间的连接在整个通信过程中保持不变。

但是，在很多情况下，由于资源限制，我们无法保持客户端和服务器之间的稳定连接。因此，我们需要一个不需要稳定连接的通信协议。为此，我们使用 UDP 协议。

在 Python 中如何使用 UDP 协议创建服务器

要使用 UDP 协议创建连接，我们需要在实现服务器时遵循以下步骤。

• 在使用 socket() 方法创建服务器套接字时，在类型参数的输入中指定 SOCK_DGRAM。
• 使用 bind() 方法将套接字绑定到地址和端口号。
• 由于我们不需要与客户端建立连接，因此我们不使用 listen() 和 accept() 方法来建立连接。我们可以直接开始与客户沟通。
• 要在 UDP 协议中接收消息，我们使用 recvfrom() 方法。它将要读取的字节数作为输入参数，并返回一个元组，其中包含数据和接收数据的地址。
• 要在 UDP 协议中发送消息，我们使用 sendto() 方法。sendto() 方法将数据作为其第一个输入参数，并将包含主机名和端口号的元组作为数据将发送到的套接字地址。
• 通信后，你必须使用 close() 方法关闭套接字。

使用以下 Python 程序，你可以实现一个与 UDP 协议通信的服务器进程。

import socket

mySocket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, proto=0, fileno=None)
print("Socket created.")
hostname = 'localhost'
portno = 9999
mySocket.bind((hostname, portno))
print("Socket bound to address {} and port number {}".format(hostname, portno))
while True:
    msg, client_addr = mySocket.recvfrom(1024)
    print("Message received from the client:")
    print(msg.decode())
    print("Sending acknowledgment to the client.")
    msg_out = "Message received: {}. Thank you.".format(msg).encode()
    mySocket.sendto(msg_out, client_addr)
    mySocket.close()
    break

在 Python 中如何使用 UDP 协议创建客户端

要创建遵循 UDP 协议的客户端进程，我们需要通过在 type 参数的输入中指定 SOCK_DGRAM 来创建套接字，同时使用 socket() 方法创建服务器套接字。我们不需要在这里使用 connect() 方法，因为我们不必创建连接。

创建套接字后，我们可以使用 sendto() 和 recvfrom() 方法直接开始与服务器通信。与服务器通信后，不要忘记使用 close() 方法关闭套接字。

使用以下 Python 程序，你可以实现与 UDP 协议通信的客户端进程。

import socket

mySocket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, proto=0, fileno=None)
print("Socket created.")
while True:
    msg = "Hi I am a UDP client created by Aditya."
    print("Sending msg to the server:", msg)
    mySocket.sendto(msg.encode(), ('localhost', 9999))
    msg_in = mySocket.recv(1024).decode()
    print("Acknowledgment received from the server:")
    print(msg_in)
    print("Terminating the Connection.")
    mySocket.close()
    break

同样，要观察输出，你应该同时运行客户端程序和服务器程序，以便两个进程可以同时处于活动状态并且可以相互通信。

带有服务器程序的终端中的输出将如下所示：

Socket created.
Socket bound to address localhost and port number 9999
Message received from the client:
Hi I am a UDP client created by Aditya.
Sending acknowledgment to the client.

带有客户端程序的终端中的输出将如下所示：

Socket created.
Sending msg to the server: Hi I am a UDP client created by Aditya.
Acknowledgment received from the server:
Message received: b'Hi I am a UDP client created by Aditya.'. Thank you.
Terminating the Connection.

结论

在本文中，我们讨论了 Python 中的套接字编程。我们还分别使用 TCP 和 UDP 协议实现了客户端和服务器程序，以学习 Python 中套接字编程的基础知识。

TCP 是面向连接的，因此是一种可靠的协议。使用 TCP 协议时，可以保证消息从服务器到达客户端，反之亦然。在 UDP 中，不能保证消息将被传递到所需的目的地。

另一方面，UDP 协议更快、更容易实现，而 TCP 协议速度较慢。另外，TCP 协议不能用于广播，而我们可以使用 UDP 协议进行广播。

根据可用资源和你的需要，你可以选择任何协议来使用套接字实现客户端-服务器通信。