用Python進行TCP網路編程的教程

Socket是網路編程的一個抽象概念。通常我們用一個Socket表示“開啟了一個網路連結”，而開啟一個Socket需要知道目標電腦的IP地址和連接埠號碼，再指定協議類型即可。
用戶端

大多數串連都是可靠的TCP串連。建立TCP串連時，主動發起串連的叫用戶端，被動響應串連的叫伺服器。

舉個例子，當我們在瀏覽器中訪問新浪時，我們自己的電腦就是用戶端，瀏覽器會主動向新浪的伺服器發起串連。如果一切順利，新浪的伺服器接受了我們的串連，一個TCP串連就建立起來的，後面的通訊就是發送網頁內容了。

所以，我們要建立一個基於TCP串連的Socket，可以這樣做：

# 匯入socket庫:import socket# 建立一個socket:s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立串連:s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

建立Socket時，AF_INET指定使用IPv4協議，如果要用更先進的IPv6，就指定為AF_INET6。SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP協議，這樣，一個Socket對象就建立成功，但是還沒有建立串連。

用戶端要主動發起TCP串連，必須知道伺服器的IP地址和連接埠號碼。新浪網站的IP地址可以用網域名稱www.sina.com.cn自動轉換到IP地址，但是怎麼知道新浪伺服器的連接埠號碼呢？

答案是作為伺服器，提供什麼樣的服務，連接埠號碼就必須固定下來。由於我們想要訪問網頁，因此新浪提供網頁服務的伺服器必須把連接埠號碼固定在80連接埠，因為80連接埠是Web服務的標準連接埠。其他服務都有對應的標準連接埠號碼，例如SMTP服務是25連接埠，FTP服務是21連接埠，等等。連接埠號碼小於1024的是Internet標準服務的連接埠，連接埠號碼大於1024的，可以任意使用。

因此，我們串連新浪伺服器的代碼如下：

s.connect(('www.sina.com.cn', 80))

注意參數是一個tuple，包含地址和連接埠號碼。

建立TCP串連後，我們就可以向新浪伺服器發送請求，要求返回首頁的內容：

# 發送資料:s.send('GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')

TCP串連建立的是雙向通道，雙方都可以同時給對方發資料。但是誰先發誰後發，怎麼協調，要根據具體的協議來決定。例如，HTTP協議規定用戶端必須先發請求給伺服器，伺服器收到後才發資料給用戶端。

發送的文字格式設定必須符合HTTP標準，如果格式沒問題，接下來就可以接收新浪伺服器返回的資料了：

# 接收資料:buffer = []while True:  # 每次最多接收1k位元組:  d = s.recv(1024)  if d:    buffer.append(d)  else:    breakdata = ''.join(buffer)

接收資料時，調用recv(max)方法，一次最多接收指定的位元組數，因此，在一個while迴圈中反覆接收，直到recv()返回空資料，表示接收完畢，退出迴圈。

當我們接收完資料後，調用close()方法關閉Socket，這樣，一次完整的網路通訊就結束了：

# 關閉串連:s.close()

接收到的資料包括HTTP頭和網頁本身，我們只需要把HTTP頭和網頁分離一下，把HTTP頭列印出來，網頁內容儲存到檔案：

header, html = data.split('\r\n\r\n', 1)print header# 把接收的資料寫入檔案:with open('sina.html', 'wb') as f:  f.write(html)

現在，只需要在瀏覽器中開啟這個sina.html檔案，就可以看到新浪的首頁了。
伺服器

和用戶端編程相比，伺服器編程就要複雜一些。

伺服器處理序首先要綁定一個連接埠並監聽來自其他用戶端的串連。如果某個用戶端串連過來了，伺服器就與該用戶端建立Socket串連，隨後的通訊就靠這個Socket串連了。

所以，伺服器會開啟固定連接埠（比如80）監聽，每來一個用戶端串連，就建立該Socket串連。由於伺服器會有大量來自用戶端的串連，所以，伺服器要能夠區分一個Socket串連是和哪個用戶端綁定的。一個Socket依賴4項：伺服器位址、伺服器連接埠、用戶端地址、用戶端連接埠來唯一確定一個Socket。

但是伺服器還需要同時響應多個用戶端的請求，所以，每個串連都需要一個新的進程或者新的線程來處理，否則，伺服器一次就只能服務一個用戶端了。

我們來編寫一個簡單的伺服器程式，它接收用戶端串連，把用戶端發過來的字串加上Hello再發回去。

首先，建立一個基於IPv4和TCP協議的Socket：

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

然後，我們要綁定監聽的地址和連接埠。伺服器可能有多塊網卡，可以綁定到某一塊網卡的IP地址上，也可以用0.0.0.0綁定到所有的網路地址，還可以用127.0.0.1綁定到本機地址。127.0.0.1是一個特殊的IP地址，表示本機地址，如果綁定到這個地址，用戶端必須同時在本機運行才能串連，也就是說，外部的電腦無法串連進來。

連接埠號碼需要預先指定。因為我們寫的這個服務不是標準服務，所以用9999這個連接埠號碼。請注意，小於1024的連接埠號碼必須要有管理員權限才能綁定：

# 監聽連接埠:s.bind(('127.0.0.1', 9999))

緊接著，調用listen()方法開始監聽連接埠，傳入的參數指定等待串連的最大數量：

s.listen(5)print 'Waiting for connection...'

接下來，伺服器程式通過一個永久迴圈來接受來自用戶端的串連，accept()會等待並返回一個用戶端的串連:

while True:  # 接受一個新串連:  sock, addr = s.accept()  # 建立新線程來處理TCP串連:  t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))  t.start()

每個串連都必須建立新線程（或進程）來處理，否則，單線程在處理串連的過程中，無法接受其他用戶端的串連：

def tcplink(sock, addr):  print 'Accept new connection from %s:%s...' % addr  sock.send('Welcome!')  while True:    data = sock.recv(1024)    time.sleep(1)    if data == 'exit' or not data:      break    sock.send('Hello, %s!' % data)  sock.close()  print 'Connection from %s:%s closed.' % addr

串連建立後，伺服器首先發一條歡迎訊息，然後等待用戶端資料，並加上Hello再發送給用戶端。如果用戶端發送了exit字串，就直接關閉串連。

要測試這個伺服器程式，我們還需要編寫一個用戶端程式：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立串連:s.connect(('127.0.0.1', 9999))# 接收歡迎訊息:print s.recv(1024)for data in ['Michael', 'Tracy', 'Sarah']:  # 發送資料:  s.send(data)  print s.recv(1024)s.send('exit')s.close()

我們需要開啟兩個命令列視窗，一個運行伺服器程式，另一個運行用戶端程式，就可以看到效果了：

小結

用TCP協議進行Socket編程在Python中十分簡單，對於用戶端，要主動串連伺服器的IP和指定連接埠，對於伺服器，要首先監聽指定連接埠，然後，對每一個新的串連，建立一個線程或進程來處理。通常，伺服器程式會無限運行下去。

同一個連接埠，被一個Socket綁定了以後，就不能被別的Socket綁定了。

源碼參考：https://github.com/michaelliao/learn-python/tree/master/socket

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