Python-面向網路編程-socket原理

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socket

　　整個電腦網路是由協議構成，想要通訊必須遵守對應的協議，如Web中的http協議、傳輸協議TCP和UDP等等。在網路工程師的眼中，可能現在網路上的一切都是socket，一切皆socket，我們一般接觸到的是應用程式層應用程式，本質上兩個應用想通訊，則必須通過socket實現通訊，socket直接和傳輸層後下面的底層網路通訊協定打交道(socket本身讓我們直接與TCP打交道)，底層socket已經建立好則可以互相通訊。互連網現在主流的網路層協議是IPv4，IPv6是下一代網路層協議但不主流，IPv6解決的是IPv4地址耗盡的問題，其實為了應對IPv4資源少的問題產生了區域網路和網關。

 

網路模型

　　其發展過程，是一次解決需求的迭代過程。當電腦剛發明並投入使用，兩台電腦想實現點對點通訊，於是產生了資料連結層，當加入更多的電腦實現通訊的時候，就產生了網路層，實現通訊還不能滿足需求，需要通過網路傳輸資料，則產生了傳輸層，對於可靠性的需求產生了TCP和UDP兩種傳輸協議，不同的使用者有不同的需求，於是應用程式層就被劃分出來了。使用者在應用程式層使用各種app，資料依次往下組包直至物理層發送到網路，接收資料則往上拆包得到最終資料。本質上是需求推動了網路層次的產生，當前把網路七層模型中的會話、表示、應用程式層統稱為應用程式層。

　　應用程式層 　　　　 檔案傳輸、檔案服務、電子郵件 http ftp smtp dns
　　傳輸層　　　　通過端對端的介面TCP UDP
　　網路層　　　　為資料包選擇路由IP ICMP
　　資料連結層　　  傳輸有地址的幀、錯誤偵測功能ARP
　　物理層　　　　物理媒體

 

北門吹雪：http://www.cnblogs.com/2bjiujiu/

　　

一般建立在socket上通訊的應用都採用C/S模型，這裡來理清C/S架構

用戶端： 

　　需要申明協議、請求建立串連、發送和接收資料、關閉串連這些過程

　　

 

服務端： 

　　申明協議執行個體監聽者（來源三體）、綁定監聽IP和連接埠、啟動監聽者監聽、建立串連、接收和發送資料、中斷連線這些過程

　　# 下面這個是單線程服務端監聽者執行個體過程

　　　　

 

用戶端執行個體實現過程

import socketdef beimenchuixue_client():    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)    client.connect((‘127.0.0.1‘, 8000))    while True:        data = input("輸入英文字元:")        if not data.strip():            continue        client.send(data.encode(‘utf-8‘))        response = client.recv(1024)        print(response.decode(‘utf-8‘))if __name__ == ‘__main__‘:    beimenchuixue_client()

　　

單線程用戶端監聽者執行個體實現過程

import socketdef beimenchuixue_alone_socket():    listener = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)    listener.bind((‘0.0.0.0‘, 8000))    listener.listen()    while True:        conn, remote_address = listener.accept()        print("%s:%s 建立串連" % remote_address)        while True:            # 處理用戶端連接埠異常            try:                data = conn.recv(1024).decode("utf-8")            except ConnectionResetError as e:                print("%s:%s 中斷連線" % remote_address)                conn.close()                break            conn.send(bytes(data.upper(), encoding=‘utf-8‘))if __name__ == ‘__main__‘:    beimenchuixue_alone_socket()

　　#  這個服務端實現了把小寫轉換為大寫的服務，其他用戶端串連來需要排隊等待正在處理的用戶端斷開請求，也就是其他用戶端進入堵塞狀態

 

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多線程或協程處理串連請求架構圖

　　　　

　　線程處理串連架構圖

　　

 

 

多線程用戶端監聽者執行個體實現過程

import socketfrom threading import Threaddef beimenchuixue_handler(conn, remote_address):    """線程處理處理每個串連"""    # 處理用戶端斷開異常    while True:        try:            data = conn.recv(1024).decode("utf-8")        except ConnectionResetError as e:            print("%s:%s 中斷連線" % remote_address)            break        conn.send(bytes(data.upper(), encoding=‘utf-8‘))    conn.close()def beimenchuixue_socket():    listener = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)    listener.bind((‘0.0.0.0‘, 8000))    listener.listen()    while True:        conn, remote_address = listener.accept()        print("%s:%s 建立串連" % remote_address)        handler = Thread(target=beimenchuixue_handler, args=(conn, remote_address))        handler.start()if __name__ == ‘__main__‘:    beimenchuixue_socket()

　　

物件導向方式寫多線程socket

import socketfrom threading import Threadclass BeiMenChuiXueHandle(Thread):    def __init__(self, conn, remote_address):        super().__init__()        self.conn = conn        self.remote_address = remote_address    def run(self):        while True:            try:                data = self.conn.recv(1024).decode("utf-8")            except ConnectionResetError as e:                print("北門吹雪")                print("%s:%s 中斷連線" % self.remote_address)                break            self.conn.send(bytes(data.upper(), encoding=‘utf-8‘))        self.conn.close()class BeiMenChuiXueHandleSocket:    def __init__(self):        self.listener = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)    def _handle(self, conn, remote_address):        handler = BeiMenChuiXueHandle(conn, remote_address)        handler.start()    def socket_run(self, ip, port):        self.listener.bind((ip, port))        self.listener.listen()        while True:            conn, remote_address = self.listener.accept()            print("北門吹雪")            print("%s:%s 建立串連" % remote_address)            self._handle(conn, remote_address)if __name__ == ‘__main__‘:    listener = BeiMenChuiXueHandleSocket()    listener.socket_run(ip=‘0.0.0.0‘, port=8000)

　　

協程方式寫socket(需要安裝協程模組gevent，在Python3.5版本中本身就支援協程語義async await)

import socketimport geventfrom gevent import monkeyclass BeiMenChuiXueSocket:    def __init__(self, ip, port):        # 自動標籤堵塞，要放到所有堵塞執行個體之前        monkey.patch_all()        self.listener = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)        self.ip = ip        self.port = port    def _handler(self, conn, remote_address):        while True:            try:                data = conn.recv(1024).decode("utf-8")            except ConnectionResetError as e:                print("北門吹雪")                print("%s:%s 中斷連線" % remote_address)                break            conn.send(bytes(data.upper(), encoding=‘utf-8‘))        conn.close()    def forever_run(self):        self.listener.bind((self.ip, self.port))        self.listener.listen()        while True:            conn, remote_address = self.listener.accept()            print("北門吹雪")            print("%s:%s 建立串連" % remote_address)            # 啟動協程處理串連            gevent.spawn(self._handler, conn, remote_address)if __name__ == ‘__main__‘:    beimenchuixue = BeiMenChuiXueSocket(‘0.0.0.0‘, 8000)    beimenchuixue.forever_run()

　　

經驗：

　　1. socket是網路最為基礎的通訊方式，也是上層應用的通訊基礎

　　2. 服務端為了同時響應多個請求則可以選擇進程、線程、協程等多種方式處理串連進來的請求，一般選擇線程或協程

　　3. CPython由於GIL保證一顆核只能在同一時刻跑一個線程，多進程在某種意義上只是開啟了多個線程，而進程開銷這麼大，不是好方法，也就是說對Python的非同步編程還是要使用線程或者協程進行

　　4. Python線程、協程只適於IO密集型，不適用CPU密集型，由於GIL的存在本質上是個單線程

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