Python客户端/服务器网络编程

在服务器响应客户端请求之前，首先创建一个通信端点，它能够使服务器监听请求。一旦一个通信端点已经建立，监听服务器就可以进入无限循环中，等待客户端的连接并响应他们的请求。通信端点好比是允许通信的一些基础设施。

客户端所需要做的只是创建它的单一通信端点，然后建立一个到服务器的连接。然后，客户端就可以发出请求，该请求包括任何必要的数据交换。一旦请求被服务器处理，且客户端收到结果或某种确认信息，此次通信就会被终止。

套接字：通信端点

套接字是计算机网络数据结构，它体现了上面所述的“通信端点”的概念。在任何类型的通信开始之前，网络应用程序都必须创建套接字，它就像是电话插孔，没有它将无法进行通信。

套接字有两种类型：基于文件的和面向网络的。

第一种套接字是基于文件的，并拥有一个“家族名字”AF_UNIX（又名AF_LOCAL）,它代表地址家族：UNIX。AF_LOCAL将代替AF_UNIX，然而考虑到后向兼容性，很多系统都同时使用二者，只是对同一个常数使用不同的别名。Python本身仍然在使用AF_UNIX。

第二种套接字是基于网络的，它也有自己的家族名字AF_INET,它代表地址家族：因特网。另一个地址家族AF_INET6用于第6版因特网协议（IPv6）寻址。

此外，还有其他的地址家族，这些要么是专业的、过时的、很少使用的，要么是仍未实现的。在所有的地址家族中，目前AF_INET是使用得最广泛得。

总的来说，Python只支持AF_UNIX、AF_NETLINK、AF_TIPC和AF_INET家族。网络编程涉及AF_INET。

套接字地址：主机-端口号

如果套接字像一个电话插孔，那么主机名和端口号就像区号和电话号码的组合。在拥有硬件和通信的能力后，你还要知道电话打给谁。一个网络地址由主机名和端口号对组成。有效的端口号范围为0~65535（小于1024的端口号预留给了系统），众所周知的端口号列表可以在这个网站中查看：http://www.iana.org/assignments/port-numbers

套接字连接有两种风格：面向连接的和无连接的。

不管采用哪种地址家族，都有两种不同风格的套接字连接。

1、面向连接的套接字

面向连接意味着在进行通信之前必须先建立一个连接，例如使用电话系统给一个朋友打电话。这种类型的通信也称为虚拟电路或流套接字。

特点：每条消息可以拆分成多个片段，并且每一条消息片段都确保能够到达目的地，然后将它们按顺序组合在一起，最后将完整消息传递给正在等待的应用程序。

协议：实现这种连接类型的主要协议是传输控制协议（TCP）。为了创建TCP套接字，必须使用SOCK_STREAM作为套接字类型。TCP套接字的名字SOCK_STREAM基于流套接字的其中一种表示。因为这些套接字（AF_INET）使用因特网协议（IP）来搜寻网络中的主机，所以整个系统通常结合两种协议（TCP和IP）。

2、无连接的套接字

此类套接字是数据报类型的套接字，是一种无连接的套接字，这意味着在通信开始之前并不需要建立连接，例如邮政服务，信件和包裹或许并不能以发送顺序到达，事实上他们可能不会到达，为了将其添加到并发通信中，在网络中甚至可能存在重复的消息。

特点：在数据传输过程中并无法保证它的顺序性、可靠性或重复性。然而，数据报确实保存了记录边界，这意味着消息是以整体发送的，而并非首先分成多个片段。

协议：主要协议是用户数据报协议（UDP）。为了创建UDP套接字，必须使用SOCK_DGRAM作为套接字类型。因为这些套接字也使用因特网协议（IP）来搜寻网络中的主机，所以整个系统通常结合两种协议（UDP和IP）。

Python中的网络编程

在Python中使用的主要模块是socket模块，在这个模块中可以找到socket()函数，该函数用于创建套接字对象，套接字有自己的方法集，这些方法可以实现基于套接字的网络通信。

socket()函数

socket.socket()函数用于创建套接字，一般语法如下：

socket(socket_family, socket_type, protocol=0)

socket_family是AF_UNIX或AF_INET（如前所述），socket_type是SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM（如前所述），protocol通常省略，默认为0。

所以，创建TCP/IP套接字：

tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

套接字对象（内置）方法

（以下方法只为简易的一部分，更多应参考API）

服务器套接字方法：

客户端套接字方法：

普通的套接字方法：

面向阻塞的套接字方法：

创建TCP服务器

设计服务器的一种方式：

from socket import *

ss = socket( )                           #创建服务器套接字

ss.bind( )                              #套接字与地址绑定 

ss.listen( )                             #监听连接

inf_loop:                               #服务器无限循环 

    cs = ss.accept( )                     #接受客户端连接 → （开启服务器）

    comm_loop:                          #通信循环 → （通信开始）

        cs.recv( ) / cs.send( )             #对话（接受/发送） 

    cs.close( )                         #关闭客户端套接字

ss.close( )                             #关闭服务器套接字（可选）

（这仅仅是设计服务器的一种方式，一旦熟悉了服务器设计，那么你将能够按照自己的要求修改上面的伪代码来操作服务器）

  调用accept()函数之后，就开启了一个简单的（单线程）服务器，它会等待客户端的连接，默认情况下，accept()是阻塞的，这意味着执行将被暂停，直到一个连接到达。非阻塞模式的套接字可以参考其他文档与资料。

  一旦服务器接受了一个连接，就会返回（利用accept()）一个独立的新的客户端套接字，用来与即将到来的消息进行交换，类似与将客户的电话切换给客服代表。这将能够空出主要的端口（原始服务器套接字），以使其能够接受新的客户端连接。

  一旦创建了临时套接字，通信就可以开始，通过使用这个新的套接字，客户端与服务器就可以开始参与发送和接受的对话中，直到连接终止。当一方关闭连接或者向对方发送一个空字符串时，通常就会关闭连接。在代码中，一个客户端连接关闭之后，服务器就会等待另一个客户端连接。

创建TCP客户端

from socket import *                    

cs = socket()                            #创建客户端套接字

cs.connect()                             #尝试连接服务器

comm_loop:                              #通信循环  

    cs.send()/cs.recv()                    #对话（发送/接受）

cs.close()                              #关闭客户端套接字

执行TCP服务器和客户端

在任何客户端试图连接之前，首先要启动服务器。服务器可以视为一个被动伙伴，因为必须首先建立自己，然后被动地等待连接，客户端是一个主动的合作伙伴，由它主动发起一个连接。

创建UDP服务器

from socket import *                        

ss = socket()                              #创建服务器套接字

ss.bind()                                 #绑定服务器套接字

inf_loop:                                 #服务器无限循环

    cs = ss.recvfrom() / ss.sendto()             #对话（接受/发送）

ss.close()                                #关闭服务器套接字

UDP服务器不需要TCP服务器那么多的设置，没有调用“监听传入的连接”，因为它不是面向连接的。另一个显著差异是，因为数据报套接字是无连接的，所以就没有为了成功通信而使一个客户端连接到一个独立的套接字“转换”操作，这种服务器仅仅接受消息并有可能回复数据。

创建UDP客户端

from socket import *

cs = socket()                               #创建客户端套接字

comm_loop:                                 #通信循环

    cs.sendto() / cs.recvfrom()                  #对话（发送/接受）

cs.close()                                 #关闭客户端套接字

UDP客户端循环工作方式几乎和TCP客户端完全一样。唯一的区别是，事先不需要建立与UDP服务器的连接，只是简单地发送一条消息并等待服务器的回复。

SocketServer模块

SocketServer模块是标准库中的一个高级模块（Python3.x中重命名为socketserver）,它的目标是简化很多样板代码，他们是创建网络客户端和服务器所必须的代码。这个模块中有各种各样的类。

以下为一部分类：

  使用SocketServer模块除了可以隐藏实现细节外，另一个不同之处是，我们现在使用类来编写应用程序。因为以面向对象的方式处理事务有助于组织数据，以及逻辑性地将功能放在正确的地方。你还会注意到，应用程序现在是事件驱动的，事件包括消息的发送和接受，这意味着只有在系统中的事件发生时，他们才会工作。
  在原始服务器循环中，我们阻塞等待请求，当接受到请求时就对其提供服务，然后继续等待。而此处的服务器循环中，并非在服务器中创建代码，而是定义一个处理程序，这样当服务器接收到一个传入的请求时，服务器就可以调用你的函数。

创建SocketServer TCP服务器

示例（Python2.x）：

from SocketServer import (TCPServer as TCP, StreamRequestHandler as SRH)

HOST = ''
PORT = 21567
ADDR = (HOST, PORT)

class MyRequestHandler(SRH):
    def handle(self):
        self.wfile.write('%s' % self.rfile.readline())

tcpServ = TCP(ADDR, MyRequestHandler)
tcpServ.serve_forever()

  这里的请求处理程序MyRequestHandler，作为SocketServer中StreamRequestHandler的一个子类，并重写了它的handle()方法，该方法在基类Request中默认情况下没有任何行为。当接受到一个来自客户端的消息时，它就会调用handle()方法。
  StreamRequestHandler类将输入和输出套接字看作类似文件的对象，因此我们将使用readline()来获取客户端消息，并利用write()将字符串发送会客户端，因此在客户端和服务器代码中，需要额外的回车和换行符，但实际上，在服务器的代码中不会看到它，因为重用了那些来自客户端的符号。

创建SocketServer TCP客户端

SocketServer TCP客户端和原来的客户端的代码类似，主要不同点在于：

  SocketServer请求处理程序的默认行为是接受连接、获取请求，然后关闭连接。由于这个原因，应用程序不能在整个执行过程中都保持连接，因此每次向服务器发送消息时，都需要创建一个新的套接字。

  另外StreamRequestHandler类对待套接字通信就像文件一样，所以必须发送行终止符（回车和换行符），例如tcpCliSock.send('%s\r\n' % data),而服务器只是保留并重用这里发送的终止符。