網(wǎng)絡(luò)連接與通信是我們學(xué)習(xí)任何編程語言都繞不過的知識點(diǎn)。Python 也不例外，下面就介紹因特網(wǎng)的核心協(xié)議 TCP ，以及如何用 Python 實(shí)現(xiàn) TCP 的連接與通信。
TCP 協(xié)議
TCP協(xié)議（Transmission Control Protocol， 傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的傳輸層通信協(xié)議，它能提供高可靠性通信，像 HTTP/HTTPS 等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都采用 TCP 協(xié)議通訊。那么網(wǎng)絡(luò)通訊方面都會涉及到 socket 編程，當(dāng)然也包括 TCP 協(xié)議。
Network Socket
我們來看看定義：
Network Socket（網(wǎng)絡(luò)套接字）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程間通信的數(shù)據(jù)流端點(diǎn)，廣義上也代表操作系統(tǒng)提供的一種進(jìn)程間通信機(jī)制。
這些計(jì)算機(jī)術(shù)語都很學(xué)術(shù)，難于理解，每個字都認(rèn)識，加在一起就不認(rèn)識了。我們可以通俗地理解成發(fā)快遞：A 需要給 B 寄快遞，首先需要知道 B 的地址和手機(jī)號碼，那么這個地址就相當(dāng)于 網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī) IP 地址，而手機(jī)就相當(dāng)于 主機(jī)的端口號。然后 A 還需要指定哪家快遞公司，是順豐還是中通？這個快遞公司就相當(dāng)于通信的傳輸協(xié)議。
TCP 連接流程
上述快遞的例子中，寄快遞的我們可以叫做客戶端，收快遞的我們叫做服務(wù)器。專業(yè)點(diǎn)就是主動發(fā)起連接的一方叫做客戶端，被動響應(yīng)的一方叫做服務(wù)器。例如，我們在瀏覽器中訪問百度搜索時(shí)，我們自己的電腦就是客戶端，瀏覽器會向百度的服務(wù)器發(fā)送連接請求，如果百度的服務(wù)器接受了我們的請求，那么一個 TCP 連接就建立起來了，后面就是百度向我們傳輸搜索結(jié)果了。
我們來看一個流程圖：
TCP服務(wù)器的建立可以歸納這幾步：
- 創(chuàng)建 socket（套接字）
- 綁定 socket 的 IP 地址和端口號
- 監(jiān)聽客戶端的連接請求
- 接受客戶端的連接請求
- 與客戶端對話
- 關(guān)閉連接
TCP客戶端的創(chuàng)建可總結(jié)為這幾步：
- 創(chuàng)建 socket（套接字）
- 連接服務(wù)器 socket
- 與服務(wù)器對話
- 關(guān)閉連接
這里需要注意的是 TCP 客戶端連接到服務(wù)器的 IP 和端口號必須是 TCP 服務(wù)器的 IP 和監(jiān)聽的端口號，服務(wù)器調(diào)用 listen() 開始監(jiān)聽端口，然后調(diào)用 accept() 時(shí)刻準(zhǔn)備接受客戶端的連接請求，此時(shí)服務(wù)器處于阻塞狀態(tài)，直到服務(wù)器監(jiān)聽到客戶端的請求后，接收請求并建立連接為止。
TCP 客戶端
創(chuàng)建 socket 連接，可以這樣做：
# 導(dǎo)入socket庫import socket# 創(chuàng)建一個sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立連接s.connect(("127.0.0.1", 6000))
創(chuàng)建 socket 時(shí)，第一個參數(shù) socket.AF_INET 表示指定使用 IPv4 協(xié)議，如果要使用 IPv6 協(xié)議，就指定為 socket.AF_INET6。SOCK_STREAM 指定使用面向流的 TCP 協(xié)議。然后我們調(diào)用 connect() 方法，傳入 IP 地址（或者域名），指定端口號就可以建立連接了。
接下來我們就可以向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)了：
s.send(b'Hello, Mr Right!')
接收數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用 recv(max) 方法，一次最多接收指定的字節(jié)數(shù)，因此，在一個 while 循環(huán)中反復(fù)接收，直到 recv() 返回空數(shù)據(jù)，表示接收完畢，退出循環(huán)。
#接收數(shù)據(jù) buffer=[] whileTrue: #每次最多接收1k字節(jié) d=s.recv(1024) ifd: buffer.Append(d) else:break data=b''.join(buffer)
最后，我們需要關(guān)閉連接，很簡單：
s.close()
TCP 服務(wù)器
相比于客戶端，服務(wù)器端稍微復(fù)雜一些，需要先綁定一個 IP 地址和端口號，然后監(jiān)聽客戶端的請求，收到請求后丟到一個線程去處理。
創(chuàng)建 socket 跟客戶端方法一樣：
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
接下來需要綁定監(jiān)聽地址和端口：
s.bind(('127.0.0.1', 6000))
然后就可以開始監(jiān)聽端口了，監(jiān)聽時(shí)需要傳入一個參數(shù)，指定等待連接的最大數(shù)量：
s.listen(5)
接下來就是無限循環(huán)等待客戶端的連接，直到有連接請求過來，就用一個線程去處理：
whileTrue: #接受一個新連接 sock,addr=s.accept() #創(chuàng)建新線程來處理TCP連接 t=threading.Thread(target=tcplink,args=(sock,addr)) t.start()
這里為什么需要多線程處理呢？想象一下菜鳥驛站，如果里面只有一個人的話，那么多個人寄件就需要排隊(duì)，一個個來；但是如果有多個人的話，那么每個人都可以處理一個寄件請求。
我們來看一下處理客戶端請求的方法：
# 處理tcp連接def tcplink(conn, addr): print("Accept new connection from %s:%s" % addr) # 向客戶端發(fā)送歡迎消息 conn.send(b"Server: Welcome!n") while True: conn.send(b"Server: What's your name?") data = conn.recv(1024) # 如果客戶端發(fā)送 exit 過來請求退出，結(jié)束循環(huán) if data == b"exit": conn.send(b"Server: Good bye!n") break conn.send(b"Server: Hello %s!n" % data) # 關(guān)閉連接 conn.close() print("Connection from %s:%s is closed" % addr)
例子中，我們先想客戶端發(fā)送歡迎消息，然后詢問客戶端名稱，收到名稱后發(fā)送歡迎消息，直到接收到客戶端的 'exit' 命令，退出循環(huán)，關(guān)閉連接。
實(shí)例
我們把上面的分步講解代碼合并起來，形成一個可運(yùn)行的實(shí)例。
服務(wù)器端代碼：
import socketimport threadingimport time# 處理tcp連接def tcplink(conn, addr): print("Accept new connection from %s:%s" % addr) # 向客戶端發(fā)送歡迎消息 conn.send(b"Server: Welcome!n") while True: conn.send(b"Server: What's your name?") data = conn.recv(1024) # 如果客戶端發(fā)送 exit 過來請求退出，結(jié)束循環(huán) if data == b"exit": conn.send(b"Server: Good bye!n") break conn.send(b"Server: Hello %s!n" % data) time.sleep(5) # 關(guān)閉連接 conn.close() print("Connection from %s:%s is closed" % addr)# 創(chuàng)建 sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 監(jiān)聽端口s.bind(("127.0.0.1", 6000))# 設(shè)定等待連接的最大數(shù)量為5s.listen(5)print("Waiting for connection...")# 等待接收連接while True: # 接受一個新連接 conn, addr = s.accept() # 創(chuàng)建新線程來處理TCP連接 t = threading.Thread(target=tcplink, args=(conn, addr)) t.start()
客戶端代碼：
import socketimport time# 創(chuàng)建 sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立連接s.connect(("127.0.0.1", 6000))# 接收服務(wù)器消息print(s.recv(1024).decode())for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']: # 發(fā)送數(shù)據(jù) s.send(data) time.sleep(2) # 打印接收到的數(shù)據(jù) print(s.recv(1024).decode('utf-8')) time.sleep(1)time.sleep(3)# 請求退出s.send(b'exit')time.sleep(2)print(s.recv(1024).decode('utf-8'))# 關(guān)閉連接s.close()
注意，在代碼中，我加入了一些休眠（sleep）操作，主要是為了控制臺能夠順利打印出來，不然程序運(yùn)行太快，打印順序和內(nèi)容有可能和預(yù)期不一樣。
先運(yùn)行服務(wù)器端代碼，然后再運(yùn)行客戶端代碼，我們可以看到服務(wù)器端控制臺打印內(nèi)容如下：
#服務(wù)器端打印消息 Waitingforconnection... Acceptnewconnectionfrom127.0.0.1:53503 Connectionfrom127.0.0.1:53503isclosed
客戶端控制臺打印內(nèi)容如下：
#客戶端打印消息 Server:Welcome!Server:What'syourname? Server:HelloMichael! Server:What'syourname? Server:HelloTracy! Server:What'syourname? Server:HelloSarah! Server:What'syourname? Server:Goodbye!
大家可以對照著打印內(nèi)容和代碼，體會一下服務(wù)器端和客戶端通信的原理。
總結(jié)
本文為大家介紹了 TCP 編程的基本原理和如何使用 Python 實(shí)現(xiàn)一個最簡單的 TCP 通信過程。通過介紹和實(shí)例，大家要在腦海中形成一個 TCP 通信的過程，熟悉了這個過程是處理后續(xù)復(fù)雜通信需求的基礎(chǔ)。更多python學(xué)習(xí)資料，可以關(guān)注“武漢千鋒”微信公眾號！
