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socket 底层网络接口

2023年9月09日9分钟阅读

概述

Socket 是计算机网络中用于实现进程间通信的一种技术。简而言之，它是一个端点，用于发送或接收数据。这些数据可以在同一台计算机上的进程之间，或者在不同计算机上的进程之间进行传输。

socket 是 Python 中的一个标准库，它提供了低级的网络通信功能。基于该库，开发者可以实现 TCP、UDP 以及其他类型的网络协议的客户端和服务端程序。

socket 库的历史可以追溯到 Unix 操作系统的早期。在 Unix 中，socket 被用作进程间通信 (IPC) 的一种方式。随着互联网的发展，socket 逐渐被应用于网络通信。Python 的 socket 库提供了对这一功能的高级封装，使得开发网络应用变得更为简单。

工作原理

socket 网络通信最常见的模型是客户端 - 服务器模型。客户端是请求服务的实体，而服务器是提供服务的实体。Socket 允许这两个实体进行通信。

  • 客户端: 创建 Socket → 连接到服务器 → 交换数据 → 关闭 Socket
  • 服务器: 创建 Socket → 绑定到特定地址和端口 → 监听连接 → 接受客户端连接 → 交换数据 → 关闭 Socket

socket 主要被用于：

  • 创建网络服务器和客户端。
  • 实现多种网络协议，如 TCP 和 UDP。
  • 进行低级的网络通信，如发送原始套接字数据。

它解决了开发者在进行网络通信时的底层细节问题，如地址转换、数据传输等。

协议类型

  • 流式 Socket (SOCK_STREAM): 提供了一个可靠的、面向连接的字节流。这是最常用的 Socket 类型，TCP 协议就是基于这种 Socket。
  • 数据报 Socket (SOCK_DGRAM): 提供了一种无连接的、不可靠的数据传输方式。UDP 协议就是基于这种 Socket。
  • 原始 Socket (SOCK_RAW): 允许直接访问底层协议，通常用于开发新的通信协议。

地址家族

  • AF_INET (IPv4): 最常用的地址家族，用于 Internet 通信。
  • AF_INET6 (IPv6): 下一代 Internet 地址家族。
  • AF_UNIX: 用于同一台机器上的进程间通信。

生命周期

graph LR;
    A[创建 Socket] --> B[绑定 Socket到地址和端口];
    B --> C[开始监听传入的连接];
    C --> D[接受连接请求];
    D --> E[进行数据传输];
    E --> F[关闭 Socket];
  1. 创建: 使用 socket.socket() 创建一个新的 Socket 对象。
  2. 绑定: 使用 bind() 方法将 Socket 绑定到特定的地址和端口。
  3. 监听: 使用 listen() 方法开始监听传入的连接。
  4. 接受连接: 使用 accept() 方法接受一个连接。
  5. 数据传输: 使用 send() 和 recv() 方法进行数据传输。
  6. 关闭: 使用 close() 方法关闭 Socket。

基础操作

由于 socket 是 Python 的标准库，无需额外安装。

支持协议

socket 库支持多种协议，用于不同的网络通信场景。

# 服务器
import socket
 
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 8080))
server_socket.listen(5)
 
print("服务器正在监听...")
client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"连接来自 {addr}")
 
data = client_socket.recv(1024)
print(f"接收到的数据: {data.decode('utf-8')}")
client_socket.send("谢谢你!".encode('utf-8'))
 
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', 8080))
 
client_socket.send("你好，服务器!".encode('utf-8'))
data = client_socket.recv(1024)
print(f"接收到的数据: {data.decode('utf-8')}")
 
client_socket.close()

TCP 示例

graph LR

subgraph TCP服务器
  A[创建Socket] --> B[绑定到地址和端口]
  B --> C[监听连接请求]
  C --> D[接受连接]
  D --> E[接收数据]
  E --> F[处理数据]
  F --> G[发送响应]
  G --> E
  E --> H[关闭连接]
  H --> D
end

subgraph TCP客户端
  I[创建Socket] --> J[连接到服务器]
  J --> K[发送数据]
  K --> L[接收响应]
  L --> M[处理响应]
  M --> K
  K --> N[关闭连接]
end

A --> I

服务器

import socket
 
# 步骤1：创建 TCP Socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 
# 步骤2：绑定 Socket 到一个特定的 IP 地址和端口
server_address = ('localhost', 12345)
server_socket.bind(server_address)
 
# 步骤3：监听传入的连接请求
server_socket.listen(5)
 
print("TCP 服务器启动，等待连接...")
 
while True:
    # 步骤4：接受客户端的连接请求
    client_socket, client_address = server_socket.accept()
    print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
 
    # 步骤5：与客户端建立通信
    while True:
        data = client_socket.recv(1024)
        if not data:
            break
 
        # 步骤6：接收和发送数据
        data = data.decode('utf-8')
        print(f"接收到来自客户端的数据: {data}")
        response = f"你好，

客户端

import socket
 
# 步骤1：创建 TCP Socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 
# 步骤2：连接到服务器的 IP 地址和端口
server_address = ('localhost', 12345)
client_socket.connect(server_address)
 
while True:
    # 步骤3：发送数据给服务器
    message = input("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出): ")
    
    if message == 'exit':
        break
    
    client_socket.send(message.encode('utf-8'))
    
    # 步骤4：接收来自服务器的响应数据
    data = client_socket.recv(1024)
    
    # 步骤5：处理服务器的响应数据
    data = data.decode('utf-8')
    print(f"接收到服务器的响应: {data}")
 
# 步骤6：关闭与服务器的连接
client_socket.close()

UDP 示例

graph LR

subgraph UDP服务器
  A[创建Socket] --> B[绑定到地址和端口]
  B --> C[接收数据]
  C --> D[处理数据]
  D --> E[发送响应]
  E --> C
end

subgraph UDP客户端
  F[创建Socket] --> G[发送数据]
  G --> H[接收响应]
  H --> I[处理响应]
  I --> G
end

A --> F

服务端

import socket
 
# 步骤1：创建 UDP Socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
 
# 步骤2：绑定 Socket 到一个特定的 IP 地址和端口
server_address = ('localhost', 12345)
server_socket.bind(server_address)
 
print("UDP 服务器启动，等待数据...")
 
while True:
    # 步骤3：接收客户端发送的数据
    data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
    
    # 步骤4：处理客户端数据
    data = data.decode('utf-8')
    print(f"接收到来自 {client_address} 的数据: {data}")
    
    # 步骤5：为客户端发送响应（如果需要）
    response = f"你好，客户端！你发送了：{data}"
    server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_address)
    
# 步骤6：关闭 Socket（这里永远不会执行到）
server_socket.close()

客户端

import socket
 
# 步骤1：创建 UDP Socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
 
# 服务器地址和端口
server_address = ('localhost', 12345)
 
while True:
    # 步骤2：发送数据给服务器
    message = input("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出): ")
    
    if message == 'exit':
        break
    
    client_socket.sendto(message.encode('utf-8'), server_address)
    
    # 步骤3：接收来自服务器的响应数据
    data, server_address = client_socket.recvfrom(1024)
    
    # 步骤4：处理服务器的响应数据
    data = data.decode('utf-8')
    print(f"接收到服务器的响应: {data}")
 
# 步骤5：关闭 Socket
client_socket.close()

常用方法

方法描述
socket()创建一个新的 socket
bind()绑定到一个地址和端口
listen()开始监听连接
accept()接受一个新的连接
connect()连接到一个服务器
send()发送数据
recv()接收数据
close()关闭 socket

深入探索

高级功能

非阻塞 Sockets

import socket
 
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.setblocking(False)

套接字选项

s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

超时

s.settimeout(5.0)

关系图谱