Python 网络编程的七个基础概念

1.套接字(Socket)

套接字是网络通信的基本单元，它类似于电话线，用于在两个程序之间建立连接。在 Python 中，我们可以使用 socket 模块来创建和管理套接字。

import socket

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

# 绑定 IP 地址和端口
sock.bind(('localhost', 12345))

# 监听连接请求
sock.listen(5)

print("Server is listening on port 12345...")

# 接受客户端连接
client_socket, client_address = sock.accept()
print(f"Connection from {client_address}")

# 关闭连接
client_socket.close()
sock.close()

2.协议(Protocol)

协议是网络通信中的一组规则，定义了数据的格式、传输方式和错误处理等。常见的协议有 TCP 和 UDP。

• TCP：传输控制协议，提供可靠的、面向连接的服务。
• UDP：用户数据报协议，提供无连接的、不可靠的服务。

import socket

# 创建一个 UDP 套接字
udp_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 发送数据
message = "Hello, UDP!"
udp_sock.sendto(message.encode(), ('localhost', 12345))

# 接收数据
data, addr = udp_sock.recvfrom(1024)
print(f"Received data: {data.decode()} from {addr}")

udp_sock.close()

3.客户端和服务器

在网络编程中，通常有一个客户端和一个服务器。服务器负责监听并处理来自客户端的请求，而客户端则向服务器发送请求并接收响应。

# 服务器端
import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 12345))
server_socket.listen(5)

print("Server is listening on port 12345...")

client_socket, client_address = server_socket.accept()
print(f"Connection from {client_address}")

data = client_socket.recv(1024)
print(f"Received data: {data.decode()}")

client_socket.sendall("Hello, Client!".encode())

client_socket.close()
server_socket.close()

# 客户端
import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('localhost', 12345))

client_socket.sendall("Hello, Server!".encode())

data = client_socket.recv(1024)
print(f"Received data: {data.decode()}")

client_socket.close()

4.端口(Port)

端口是网络通信中的逻辑地址，用于标识不同的应用程序或服务。端口号是一个 16 位的数字，范围从 0 到 65535。

import socket

# 创建一个 TCP 套接字并绑定到特定端口
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 8080))  # 绑定到 8080 端口

server_socket.listen(5)
print("Server is listening on port 8080...")

client_socket, client_address = server_socket.accept()
print(f"Connection from {client_address}")

client_socket.close()
server_socket.close()

5.IP 地址

IP 地址是互联网协议地址，用于唯一标识网络上的设备。IPv4 地址是一个 32 位的数字，通常表示为四个十进制数，每个数之间用点分隔。

import socket

# 获取本地主机的 IP 地址
host_ip = socket.gethostbyname(socket.gethostname())
print(f"Local host IP: {host_ip}")

6.阻塞与非阻塞

在网络编程中，套接字可以设置为阻塞模式或非阻塞模式。阻塞模式下，如果操作不能立即完成，程序会暂停等待;非阻塞模式下，如果操作不能立即完成，程序会立即返回一个错误。

import socket

# 创建一个非阻塞的 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.setblocking(False)  # 设置为非阻塞模式

try:
    sock.connect(('localhost', 12345))
except BlockingIOError:
    print("Connection attempt is in progress...")

# 检查连接是否成功
if sock.getpeername():
    print("Connection successful!")
else:
    print("Connection failed.")

sock.close()

7.超时(Timeout)

超时是指在网络操作中，如果在指定时间内没有完成，程序会自动放弃并返回一个错误。这在处理网络延迟或连接失败时非常有用。

import socket

# 创建一个 TCP 套接字并设置超时时间
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.settimeout(5)  # 设置超时时间为 5 秒

try:
    sock.connect(('localhost', 12345))
    print("Connection successful!")
except socket.timeout:
    print("Connection timed out.")

sock.close()

实战案例：简单的聊天应用

接下来，我们来实现一个简单的聊天应用，包括一个服务器和多个客户端。服务器负责接收和转发消息，客户端可以发送和接收消息。

服务器端代码：

import socket
import threading

def handle_client(client_socket, client_address, clients):
    while True:
        try:
            message = client_socket.recv(1024).decode()
            if not message:
                break
            print(f"Message from {client_address}: {message}")
            broadcast_message(message, clients, client_socket)
        except:
            break

    print(f"Client {client_address} disconnected.")
    client_socket.close()
    clients.remove(client_socket)

def broadcast_message(message, clients, sender_socket):
    for client in clients:
        if client != sender_socket:
            client.sendall(message.encode())

def start_server():
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('localhost', 12345))
    server_socket.listen(5)

    print("Server is listening on port 12345...")

    clients = []

    while True:
        client_socket, client_address = server_socket.accept()
        print(f"Connection from {client_address}")
        clients.append(client_socket)
        thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(client_socket, client_address, clients))
        thread.start()

if __name__ == "__main__":
    start_server()

客户端代码：

import socket
import threading

def receive_messages(client_socket):
    while True:
        try:
            message = client_socket.recv(1024).decode()
            if not message:
                break
            print(message)
        except:
            break

def send_messages(client_socket):
    while True:
        message = input()
        client_socket.sendall(message.encode())

def start_client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('localhost', 12345))

    receive_thread = threading.Thread(target=receive_messages, args=(client_socket,))
    receive_thread.start()

    send_thread = threading.Thread(target=send_messages, args=(client_socket,))
    send_thread.start()

if __name__ == "__main__":
    start_client()

总结

今天我们学习了 Python 网络编程的 7 个基础概念，包括套接字、协议、客户端和服务器、端口、IP 地址、阻塞与非阻塞以及超时。通过这些概念，我们能够更好地理解和编写网络应用程序。最后，我们还实现了一个简单的聊天应用，展示了这些概念的实际应用。