2.8 套接字编程

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小牛编辑

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2023-12-01

套接字编程在本系列教程中地位并不是很突出，但是我们观察网络应用，绝大多数都是基于Socket来做的，哪怕是绝大多数的木马程序也是如此。官方关于socket编程的文档地址为https://docs.python.org/2/library/socket.html，我承认我看起来都很费劲。

套接字为BSD UNIX系统核心的一部分，而且他们也被许多其他类似UNIX的操作系统包括Linux所采纳。许多非BSD UNIX系统（如ms-dos，windows，os/2，mac os及大部分主机环境）都以库形式提供对套接字的支持。

三种最流行的套接字类型是:stream,datagram和raw。stream和datagram套接字可以直接与TCP协议进行接口，而raw套接字则接口到IP协议。但套接字并不限于TCP/IP。

Python 提供了两个基本的套接字模块：

l 第一个是 socket，它提供了标准的 BSD Sockets API。

l 第二个是 socketServer，它提供了服务器中心类，可以简化网络服务器的开发。

本节课程主要关注socket模块的使用。

2.8.1 socket函数

socket函数用来创建socket对象，使用前需要导入socket模块。我们先看一下socket函数的使用方式：

socket.socket([family[, type[, proto]]])

我们看到socket函数接收三个参数，下面分别介绍：

family——套接字对象使用的地址族，可选值：AF_INET——IPv4地址族，AF_INET6——IPv6地址族，AF_UNIX——针对类UNIX系统的套接字，如图2所示。

图2

type可选参数如图3所示。

图3

proto是协议数，默认是0，通常不需要关心该参数。

熟悉了三个参数的含义，创建一个TCP或者UDP的socket对象就很容易了。

创建TCP Socket：

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

创建UDP Socket：

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

关于socket对象的各种方法的使用说明，大家可以去查官方文档，我这里就不贴了，下面我们边实践，边学习。

2.8.2 创建socket

我们首先来创建一个TCP的socket对象，代码如下：

#Socket client example in python

import socket #for sockets

#create an AF_INET, STREAM socket (TCP)

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

print 'Socket Created'

创建一个socket对象很简单，第一步导入socket模块，第二步使用socket.socket方法创建一个socket对象，参数在2.8.1节已经做了说明。运行结果如下：

图4

2.8.3 客户端编程

创建socket之后，现在我们看看如何创建client端，连接一个服务端，这里我们选择知乎（www.zhihu.com）。socket类有个gethostbyname方法，可以用来把域名转换为ip地址，例如：

import socket #for sockets

import sys #for exit

try:

#create an AF_INET, STREAM socket (TCP)

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

except socket.error, msg:

print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]

sys.exit();

print 'Socket Created'

host = 'www.zhihu.com'

try:

remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:

#could not resolve

print 'Hostname could not be resolved. Exiting'

sys.exit()

print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

上面的代码，我们首先导入了sys模块，用于在出现异常的情况下调用sys.exit()退出。同时，完善了异常捕获，创建socket可能会引发socket.error异常，gethostbyname方法可能会引发socket.gaierror异常，我们在编程过程中要注意这些错误。

运行结果如下：

图5

现在我们获得了ip，端口我们使用80，现在可以连接服务器了。

import socket #for sockets

import sys #for exit

try:

#create an AF_INET, STREAM socket (TCP)

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

except socket.error, msg:

print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]

sys.exit();

print 'Socket Created'

host = 'www.zhihu.com'

port = 80

try:

remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:

#could not resolve

print 'Hostname could not be resolved. Exiting'

sys.exit()

print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

#Connect to remote server

s.connect((remote_ip , port))

print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

注意上面加粗的代码，使用socket.connect方法连接服务端，参数为ip地址和端口。

连接上服务器之后，现在可以向服务器发送信息了。

我们在上面代码的基础上，添加下面的代码：

#Send some data to remote server

message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n"

try :

#Set the whole string

s.sendall(message)

except socket.error:

#Send failed

print 'Send failed'

sys.exit()

print 'Message send successfully'

首先定义了要发送的信息，准备发送一个http协议的get请求。随后我们使用socket.sendall方法发送信息。信息发送之后，如果没有异常产生，应该会得到知乎服务器的响应内容。那么如何接收信息呢？继续添加如下代码：

#Now receive data

reply = s.recv(4096)

print reply

我们使用socket.recv方法来接收数据，参数是接收的数据长度。现在我们来看一下运行结果：

图6

最后，接收完数据之后，不要忘了关闭socket：

s.close()

现在我们来总结下客户端socket编程的基本流程：

1. 创建套接字

2. 连接服务端

3. 发送数据

4. 接收数据

5. 关闭连接

下面看一下，一个基本的服务端，要做哪些工作。

2.8.4 服务端编程

和客户端编程类似，我们首先创建一个socket对象。

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

随后，我们要把socket绑定到本机的IP和端口上。

try:

s.bind((HOST, PORT))

except socket.error , msg:

print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]

绑定ip和端口使用的是bind方法。

服务端不会主动连接其他主机，而是等待客户端连接，这需要进入监听状态。

s.listen(10)

print 'Socket now listening'

listen方法接收一个参数，用来指定可以同时挂起的连接数。

监听模式之后，如果有客户端连接进来，如何接收连接呢？需要使用accept方法。

#wait to accept a connection - blocking call

conn, addr =s.accept()

accept方法会返回一个代表当前链接的connection对象和客户端的ip地址。接下来就可以使用conn对象来接收和发送数据了，关闭连接也使用conn对象。

data = conn.recv(1024)

conn.sendall(data)

conn.close()

下面我们看一下服务端的完整代码：

import socket

import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces

PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

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

print 'Socket created'

try:

s.bind((HOST, PORT))

except socket.error , msg:

print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]

sys.exit()

print 'Socket bind complete'

s.listen(10)

print 'Socket now listening'

#wait to accept a connection - blocking call

conn, addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

#now keep talking with the client

data = conn.recv(1024)

conn.sendall(data)

conn.close()

s.close()

将代码保存为socket_server.py，从终端启动，如下图：

图7

然后再启动一个终端，使用telnet连接。

图8

此时可以看到服务端打印了连接的客户端，接下来咋telnet终端输入字符，回车发送过去。结果如图7。

图9

从图7可以看到telnet终端显示了服务端返回的信息。

2.8.5 改进服务端

作为服务端，只能接收一次连接，和客户端进行有限次数的交互是不行的，要一直能接收来自客户端的连接，下面我们改进服务端。

import socket

import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces

PORT = 5000 # Arbitrary non-privileged port

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

print 'Socket created'

try:

s.bind((HOST, PORT))

except socket.error , msg:

print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]

sys.exit()

print 'Socket bind complete'

s.listen(10)

print 'Socket now listening'

#now keep talking with the client

while 1:

#wait to accept a connection - blocking call

conn, addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

data = conn.recv(1024)

reply = 'OK...' + data

if not data:

break

conn.sendall(reply)

conn.close()

s.close()

修改后的代码只是将接收客户端连接的代码放到一个while true循环里，这样就可以不停的接收连接。保存上面的代码，在终端打开等待连接，然后启动三个终端使用telnet进行连接，结果如下：

图10

这样改起来，可以不停的接收新的连接了，但是每次只能接收一个连接，有新连接的时候，旧连接就会断掉，还是不够完美。想要分别对待每一个新入的连接，需要多线程登场了。

import socket

import sys

from thread import *

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces

PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

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

print 'Socket created'

#Bind socket to local host and port

try:

s.bind((HOST, PORT))

except socket.error , msg:

print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]

sys.exit()

print 'Socket bind complete'

#Start listening on socket

s.listen(10)

print 'Socket now listening'

#Function for handling connections. This will be used to create threads

def clientthread(conn):

#Sending message to connected client

conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string

#infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.

while True:

#Receiving from client

data = conn.recv(1024)

reply = 'OK...' + data

if not data:

break

conn.sendall(reply)

#came out of loop

conn.close()

#now keep talking with the client

while 1:

#wait to accept a connection - blocking call

conn, addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

#start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.

start_new_thread(clientthread ,(conn,))

s.close()

使用多线程，首先要导入thread模块。随后我们定义了一个名为clientthread的方法，该方法接收每个客户端连接对象，在内部启动一个新的while循环，这样可以保证客户端和服务端可以一直连接，反复通信。在外层，仍然保留while循环，每次有客户端连接的时候，生成一个连接对象conn，然后使用thread模块的start_new_thread方法启动一个新的线程，新线程调用clientthread方法，传入刚接收的客户端连接对象。

我们将上面的代码保存为socket_thread.py,然后从终端启动，在启动多个终端使用telnet进行连接，连接之后发消息测试，结果如下：

图11

2.8.6 小结

本节我们学习了Python中socket的基本使用方法，并演示了基于TCP协议的客户端和服务端编程方法。这里大家需要额外补充的知识点是多线程的使用，我们做网络扫描、爬虫等程序，都是离不开多线程应用的。

下一节是第二章的最后一节，和大家聊一聊面向对象编程思想及Python的面向对象编程方法。