第十二章網絡編程

網絡協議概述

通信協議：
協議即規則，就好比汽車上路要遵守交通規則一樣，為了使全世界不同類型的計算機都可以連接起來，所以制定了一套全球通用的通信協議——Internet協議。有了Internet協議，任何私有網絡，只要支持這個協議，就可以接入互聯網。

Internet協議主要的協議和層次關系：
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IP:

IP協議是整個TCP/IP協議族的核心
IP地址就是互聯網上計算機的唯一標識
目前的IP地址有兩種表示方式，即IPv4和IPv6
在命令行下使用 ipconfig 命令可以查看本機的IP地址

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TCP協議與UDP協議的區別

TCP:
TCP(Transmission Control Protocol)協議即傳輸控制協議，是建立在IP協議基礎之上的。TCP協議負責兩臺計算機之間建立可靠連接，保證數據包按順序發送到。它是一種可靠的、一對一的、面向有連接的通信協議。

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TCP是可靠的協議，這源于TCP的三次握手：
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UDP:
UDP(User Datagram Protocol)協議即用戶數據包協議，它是面向無連接的協議，只要知道對方的IP地址和端口，就可以直接發送數據包，由于是面向無連接的，所以無法保證數據一定會到達接收方。

端口號:

區分計算機中運行的應用程序的整數
端口號的取值范圍是0到65535，一共65536個，其中80這個端口號分配給了HTTP服務，21這個端口號分配給了FTP服務。3306分配給了MySQL數據庫，1521分配給了Oracle數據庫，1433分配給了SQL Server數據庫。

TCP協議與UDP協議的區別：

	TCP協議	UDP協議
連接方面	面向連接的	面向無連接
安全方面	傳輸消息可靠、不丟失、按順序到達	無法保證不丟包
傳輸效率方面	傳輸效率相對較低	傳輸效率高
連接對象數量方面	只能是點對點、一對一	支持一對一、一對多、多對多的交互通信

TCP協議：面向連接的、可靠的、不丟失的、按順序到達的，但傳輸效率相對較低，只能實現點對點，一對一的數據傳輸。

UDP協議：面向無連接、無法保證不丟包，但傳輸效率高，可以實現一對一、一對多、多對多的交互通信。

Socket套接字

前面提到IP協議、TCP協議和UDP協議，那么這些協議如何落實到程序中呢？

在Python中有一個類——socket，要想編寫網絡通信程序就一定需要用到socket類。

Socket套接字是用于描述IP地址和端口號的。

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Socket模塊可以實現TCP編程，也可以實現UDP編程。

socket模塊中socket類的常用方法：

方法名稱	功能描述
bind((ip,port))	綁定IP地址和端口
listen(N)	開始TCP監聽，N表示操作系統掛起的最大連接數量，取值范圍1-5之間，一般設置為5
accept()	被動接收TCP客戶端連接，阻塞式
connect((ip,port))	主動初始化TCP服務器連接
recv(size)	接收TCP數據，返回值為字符串類型，size表示要接收的最大數據量
send(str)	發送TCP數據，返回值是要發送的字節數量
sendall(str)	完整發送TCP數據，將str中的數據發送到連接的套接字，返回之前嘗試發送所有數據，如果成功為None，失敗拋出異常
recvfrom()	接收UDP數據，返回值為一個元組(data,address),data表示接收的數據，address表示發送數據的套接字地址
sendto(data,(ip,port))	發送UDP數據，返回值是發送的字節數
close()	關閉套接字

TCP服務器端代碼的編寫

由于TCP協議是點對點的、一對一的，需要建立連接才可以進行交互的通信，所以TCP編程分為客戶端編程和TCP服務器端編程。

TCP服務器端編程的步驟：

使用socket類創建一個套接字對象
使用bind((ip,port))方法綁定IP地址和端口號
使用listen()方法開始TCP監聽
使用accept()方法等待客戶端的連接
使用recv()/send()方法接收/發送數據
使用close()關閉套接字

# 服務器端
from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_STREAM表示的是用TCP協議編程
# AF_INET、SOCK_STREAM大寫說明這是常量# (1)創建socket對象
server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # AF_INET用于Internet之間的進程通信,SOCK_STREAM表示的是用TCP協議編程
# (2)綁定IP地址和端口
ip = '127.0.0.1'  # 本機的IP地址，等同于 localhost
port = 8888  # 端口號
server_socket.bind((ip, port))# (3)使用listen()開始監聽
server_socket.listen(5)
print('服務器已啟動')# (4)等待客戶端的連接
# 客戶端發送過來一個socket對象，以及地址。這里用的是系列解包賦值
client_socket, client_addr = server_socket.accept()  # 返回的是一個元組，使用系列解包賦值# (5)接收來自客戶端的數據
data = client_socket.recv(1024)  # recv()接收數據
# 客戶端發送過來時需要編碼，服務器端接收時要解碼
print('客戶端發送過來的數據為：', data.decode('utf-8'))  # 解碼# (6) 關閉socket
server_socket.close()

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TCP客戶端代碼的編寫

TCP客戶端編程的步驟：

使用socket類創建一個套接字對象
使用connect((host,port))設置連接的主機IP和主機設置的端口號
使用recv() / send()方法接收/發送數據
使用close()關閉套接字

這里我們需要新建一個Python項目來代表另一臺電腦：
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選擇New Window打開，這樣就會打開兩個PyCharm,每一個PyCharm就相當于一臺電腦。

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# 客戶端
from socket import socket# (1)創建Socket對象
client_socket = socket()
# (2)IP地址和主機接口，向服務器端發送連接請求
ip = '127.0.0.1'  # 要連接的主機的IP地址
port = 8888
client_socket.connect((ip, port))
print('----------與服務器連接建立成功------------')# (3)發送數據
# 客戶端發送時需要編碼
client_socket.send('Welcome to python world'.encode('utf-8'))# (4)關閉socket
client_socket.close()
print('發送完畢')

注意：
服務器端和客戶端都編寫好之后，一定要先啟動服務器端，然后啟動客戶端，服務器端等待客戶端發送連接。

當客戶端和服務器端的連接建立好后，客戶端和服務器端的地位是相等的，誰先發送數據都可以。只不過在上面的例子中是客戶端先發送的數據，服務器端接收數據。

TCP編程客戶端與服務器端啟動運行有先后，先啟動運行服務器端再啟動運行客戶端，連接建立之后雙方誰先發送數據均可。

圖示TCP通信過程：
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TCP多次通信服務器端代碼編寫

在上面的例子中客戶端與服務器端只進行了一次數據交互，事實上兩者之間可以進行多次數據交互。

客戶端與服務器端進行多次數據交互可以使用循環來實現。首先兩者之間交互的次數不知道，所以應使用while循環實現。

# 多次通信。服務器端
# from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM
import socket  # 這次使用這種導入方式# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_STREAM表示的是用TCP協議編程
# AF_INET、SOCK_STREAM大寫說明這是常量# (1)創建socket對象
socket_obj = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # AF_INET用于Internet之間的進程通信,SOCK_STREAM表示的是用TCP協議編程
# (2)綁定IP地址和端口
socket_obj.bind(('127.0.0.1', 8888))# (3)使用listen()開始監聽
socket_obj.listen(5)  # 設置最大的連接數量--->5
print('服務器已啟動')# (4)等待客戶端的TCP連接
# 客戶端發送過來一個socket對象，以及地址(IP地址)。這里用的是系列解包賦值
client_socket, client_addr = socket_obj.accept()  # 返回的是一個元組，使用系列解包賦值# 服務器端接收/發送數據時用的都是客戶端的socket對象(client_socket)
# (5)接收來自客戶端的數據
# while循環的四個步驟，info是初始化變量
info = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')  # recv()接收數據.客戶端發送過來時需要編碼，服務器端接收時要解碼
while info != 'bye':  # 條件判斷，中間的是循環體if info != '':print('接收到的數據是：', info)# 準備發送數據data = input('請輸入要發送的數據：')# 服務器端回復客戶端client_socket.send(data.encode('utf-8'))if data == 'bye':breakinfo = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')  # 改變變量# (6) 關閉socket對象
client_socket.close()  # 接收到的客戶端的socket對象需要關閉
socket_obj.close()  # 服務器端的socket對象需要關閉

注意：
服務器端接收/發送數據時用的都是客戶端的socket對象(client_socket)。【見上方循環體】

TCP多次通信客戶端代碼編寫

# 多次通信。客戶端
import socket# (1)創建Socket對象
client_socket = socket.socket()
# (2)主機IP地址和主機接口，向服務器端發送連接請求
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
print('----------與服務器連接建立成功------------')# (3)客戶端先發送數據(在我們多次通信的例子中，編寫的是服務器端先接收數據)
# while循環的四個步驟
info = ''
while info != 'bye':# 準備發送的數據send_data = input('請客戶端輸入要發送的數據：')client_socket.send(send_data.encode('utf-8'))# 判斷if send_data == 'bye':break  # 退出循環# 接收一條數據info = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')print('收到服務器的響應數據：', info)# (4)關閉socket
client_socket.close()
print('發送完畢')

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UDP的一次雙向通信

UDP協議是面向無連接的，只需要知道對方的IP地址和端口號就可以發送數據包，但是它不保證數據包能夠一定到達。

UDP編程客戶端(發送方)步驟：

使用socket類創建一個套接字對象
準備發送的數據
定義接收方的IP地址和端口號
使用sendto()/recvfrom()方法發送/接收數據
關閉socket對象

UDP編程服務器端(接收方)步驟：

使用socket類創建一個套接字對象
使用bind()方法綁定IP地址和端口號
使用sendto()/recvfrom()方法發送/接收數據
關閉socket對象

UDP編程接收方與發送方啟動運行無先后，但先啟動運行發送方，數據包會丟包，因此一般先啟動接收方。

圖示UDP通信過程：
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UDP客戶端(發送端)代碼編寫

# UDP客戶端(發送端)
from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# AF_INET、SOCK_DGRAM大寫說明這是常量# (1)創建Socket對象
send_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# (2)準備發送數據
data = input('請輸入要發送的數據：')
# (3)指定接收方的IP地址和端口
ip_port = ('127.0.0.1', 8888)# (4)發送數據
send_socket.sendto(data.encode('utf-8'), ip_port)# (5)接收來自接收方的回復數據
# recvfrom()返回的是一個元組-->(接收到的數據，從哪里獲得的數據即地址)
recv_data, addr = send_socket.recvfrom(1024)
print('接收到的數據為：', recv_data.decode('utf-8'))# (4)關閉socket
send_socket.close()
print('發送完畢')

UDP服務器端(接收端)代碼編寫

# UDP服務器端(接收方)
from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# AF_INET、SOCK_DGRAM大寫說明這是常量# (1)創建socket對象
recv_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)  # AF_INET用于Internet之間的進程通信,SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# (2)綁定IP地址和端口
recv_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))# (3)接收來自發送方的數據
# recvfrom()返回的是一個元組-->(接收到的數據，從哪里獲得的數據即地址)
recv_data, addr = recv_socket.recvfrom(1024)
print('接收到的數據為：', recv_data.decode('utf-8'))# (4)準備回復對方的數據
data = input('請輸入要回復的數據：')# (5)回復
recv_socket.sendto(data.encode('utf-8'), addr)# (6) 關閉socket對象
recv_socket.close()

運行效果

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UDP模擬客服咨詢小程序

聊天軟件一般都是使用UDP編程實現的，這里我們使用UDP編程模擬客服咨詢。

兩者之間交互的次數不知道，所以應使用while循環實現。

客服人員(接收方)

# UDP模擬客服咨詢小程序，客服人員(接收方)
from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# AF_INET、SOCK_DGRAM大寫說明這是常量# (1)創建socket對象
recv_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)  # AF_INET用于Internet之間的進程通信,SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# (2)綁定IP地址和端口
recv_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))while True:# (3)接收來自發送方的數據# recvfrom()返回的是一個元組-->(接收到的數據，從哪里獲得的數據即地址)recv_data, addr = recv_socket.recvfrom(1024)print('客戶說：', recv_data.decode('utf-8'))if recv_data.decode('utf-8') == 'bye':break# (4)準備回復對方的數據data = input('客服回復：')# (5)回復recv_socket.sendto(data.encode('utf-8'), addr)# (6) 關閉socket對象
recv_socket.close()

客戶(發送方)

# UDP模擬客服咨詢小程序，客戶(發送方)
from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM# 從socket模塊中導入socket類
# 參數AF_INET用于Internet之間的進程通信
# 參數SOCK_DGRAM表示的是用UDP協議編程
# AF_INET、SOCK_DGRAM大寫說明這是常量# (1)創建Socket對象
send_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
while True:# (2)準備發送數據data = input('客戶說：')# (3)指定接收方的IP地址和端口ip_port = ('127.0.0.1', 8888)# (4)發送數據send_socket.sendto(data.encode('utf-8'), ip_port)if data == 'bye':break# (5)接收來自接收方的回復數據# recvfrom()返回的是一個元組-->(接收到的數據，從哪里獲得的數據即地址)recv_data, addr = send_socket.recvfrom(1024)print('客服回復：', recv_data.decode('utf-8'))# (4)關閉socket
send_socket.close()
print('發送完畢')