【Python进阶】Python网络协议与套接字编程：构建客户端和服务器

1、网络通信基础与网络协议

1.1 网络通信模型概述

网络通信是信息时代基石，它如同现实世界中的邮递系统，将数据从一处传递到另一处。其中，OSI七层模型与TCP/IP四层或五层模型是理解和构建网络通信的基础。

1.1.1 OSI七层模型与TCP/IP四层/五层模型

OSI（开放系统互连）参考模型提出了七层结构，从物理层到应用层，每一层都有其特定的功能和职责，例如物理层关注的是信号如何在介质上传输，而应用层则处理具体的应用程序交互。

相比之下，TCP/IP模型更为简洁实用，通常分为网络接口层、网络层、传输层和应用层四层（也有将其进一步划分为五层，增加会话层和表示层）。TCP/IP模型源于互联网的实际发展，其中IP协议负责网络层寻址和路由选择，TCP协议确保传输层的数据可靠传输。

例如，在发送电子邮件时，应用层（如SMTP协议）负责构造邮件内容，传输层的TCP保证邮件数据有序、无错地传输，而IP协议则负责邮件在全球互联网上的寻址和投递。

1.1.2 主要网络协议层次及其功能

物理层：定义了网络设备之间如何通过电信号、光信号等方式传输原始比特流。 示例代码（非真实代码，仅为示意）：

# 假设有一个简单的模拟信号发生器
class SignalGenerator:
def transmit_bits(self, bits):
# 发送一组比特流到物理媒介
pass

数据链路层：封装成帧，错误检测，MAC地址识别等，如以太网协议。 网络层：IP协议在此层工作，主要负责寻址和路由选择，决定数据包从源到目的地的最佳路径。

import socket

# 创建一个IP套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
dest_ip = \’192.168.1.1\’ # 目标IP地址

传输层：TCP协议提供了面向连接、可靠的传输服务，UDP协议则提供了无连接、不可靠但速度快的数据传输服务。 应用层：HTTP、FTP、SMTP等各种应用程序使用的协议都位于这一层，它们决定了数据的具体形式和用途。 通过这些层层叠叠的协议栈，我们能够构建起丰富多彩的网络应用，无论是网页浏览、文件传输还是实时通讯，都离不开这些基础网络协议的支撑。

1.2 常见网络协议简介

1.2.1 IP协议与路由选择

IP协议如同邮政系统的邮编系统，为每台联网设备分配独一无二的IP地址，并使用路由表指导数据包在网络中寻找到达目的地的最佳路径。比如，当你在网上冲浪时，你的电脑就是通过IP协议将请求发送到全球各地的服务器。

# 获取本地主机IP地址
import socket
local_ip = socket.gethostbyname(socket.gethostname())
print(f\”本机IP地址: {
local_ip}\”)

1.2.2 TCP协议与可靠性传输

TCP协议像是一位严谨的快递员，他不仅确保每个包裹都能送达，还确保包裹按顺序到达，如有丢失或损坏，还会重新发送。TCP通过握手建立连接，通过序列号和确认应答保证数据可靠传输。

# Python中创建TCP服务器端
server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind((\’localhost\’, 12345)) # 绑定本地IP和端口
server_sock.listen(5) # 开始监听连接请求
conn, addr = server_sock.accept() # 等待并接受客户端连接
...

# 客户端与服务器端之间的数据传输
data = conn.recv(1024) # 接收数据
conn.sendall(b\’ACK! Data received.\’) # 向服务器发送确认信息

1.2.3 UDP协议与无连接数据传输

UDP协议则更像一位急性子的投递员，一旦接收到数据就立即投递，不关心是否送达及顺序，因此速度更快，常用于对延迟敏感的应用，如在线视频会议、实时游戏等场景。

# Python中创建UDP套接字
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
message = b\’Hello, UDP world!\’
udp_socket.sendto(message, (\’localhost\’, 5005)) # 发送数据报文到指定地址
data, addr = udp_socket.recvfrom(1024) # 接收任意来源的数据报文

2、Python中的网络编程基础

2.1 Python socket模块介绍

2.1.1 socket对象的创建与属性

在Python中，socket模块是进行网络编程的核心工具，它提供了一种标准的方式来创建、配置并管理套接字。想象一下，套接字就像是一扇门，允许你的程序接入互联网这条大路，与其他远程主机进行交流。

创建一个新的socket对象就像开启这扇门一样简单，你可以根据需要选择不同的地址家族和协议类型。例如，创建一个IPv4环境下的TCP套接字：

import socket

# 创建一个TCP套接字
tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 显示套接字的一些基本信息
print(f\”Socket type: {
tcp_socket.type}\”)
print(f\”Socket family: {
tcp_socket.family}\”)

2.1.2 Python中的地址家族与协议类型

地址家族：主要包括两种类型，AF_INET（IPv4）和AF_INET6（IPv6），分别对应不同版本的Internet协议地址。 协议类型：主要有两种，SOCK_STREAM（TCP）和SOCK_DGRAM（UDP）。TCP提供面向连接、可靠的数据传输服务；UDP则提供无连接、快速但可能丢包或乱序的数据传输服务。

2.2 Python中的TCP套接字编程

2.2.1 TCP服务器端开发步骤

2.2.1.1 绑定地址与监听连接

首先，服务器需要绑定一个本地地址（IP地址和端口号）来监听客户端的连接请求。例如，我们可以创建一个监听本地8000端口的TCP服务器：

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind((\’localhost\’, 8000))
server_socket.listen(5) # 设置最大挂起连接数为5

while True:
client_socket, client_address = server_socket.accept()
print(f\”Accepted connection from {
client_address[0]}:{
client_address[1]}\”)
# …此处可以处理来自客户端的数据…

2.2.1.2 接受客户端连接并通信

当有客户端连接时，accept()方法会返回一个新的套接字，用于与该客户端进行单独的数据交换：

# 在新线程中处理客户端连接
def handle_client(client_socket):
message = client_socket.recv(1024).decode(\’utf-8\’)
print(f\”Received message: {
message}\”)
response = \”Echo: \” + message
client_socket.sendall(response.encode(\’utf-8\’))
client_socket.close()

new_thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(client_socket,))
new_thread.start()

2.2.2 TCP客户端编程实践

2.2.2.1 连接到服务器并发送数据

客户端需要知道服务器的地址和端口，然后发起连接请求：

client_socket