TCP编程

阅读：294123024 分享到

两台计算机相互通信，就需要遵守规定的协议，就如人相互之间做生意要遵守约定的合同一样，早期的计算机网络，都是由各厂商自己规定一套协议，各大公司如 IBM，Apple 和 Microsoft 都有各自的网络协议，互不兼容，如果两台计算机使用不同的协议就会导致无法通信，就如两个人约定的合同不一样就无法做生意一样。

为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来，就必须规定一套全球通用的协议，就如我们都遵守世贸协定，各个国家之间做生意就有章可循了。计算机之间最流行的通信协议为 TCP 和 UDP 协议。

目前世界上的操作系统基本上都实现了 TCP 和 UDP 协议，我们在编写程序的时候，用套接字直接使用操作系统提供的 API 即可。

套接字就是网络通信协议其中一种最常见的现实方式，套接字也叫 socket，它是基于 C/S 架构的，也就是说进行 socket 网络编程，通常需要编写两个程序，一个服务端，一个客户端。

我们基于 TCP 协议，写两个应用程序进行通信，一个叫做服务器，一个叫做客户端。客户端就如打电话的一端，服务器类似于被呼叫的一端。

服务器

首先要创建套接字，绑定套接字到本地 IP 与端口，然后开始监听连接，等待客户端的连接请求，接收传来的数据，或者发送数据给对方，传输完毕后，关闭套接字。

import socket

sv_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 创建套接字
sv_ipport = ("0.0.0.0", 8889)          # 监听的 ip 和端口
sv_socket.bind(sv_ipport)              # 绑定服务地址
sv_socket.listen(5)                    # 协议栈缓冲区最大套接字存放个数
print('启动服务器，等待客户端连接......')

server_socket, addr = sv_socket.accept()
while True:
    client_data = server_socket.recv(1024).decode("utf-8")  # 接收信息
    if (client_data == "exit") or (not client_data):        # 判断客户端是否申请结束会话或客户端是否退出
        break
    print("收到客户端信息：%s" % client_data)
    server_data = input("请输入要发送给客户端的信息：")
    server_socket.send(server_data.encode("utf-8"))         # 发送信息

server_socket.close()  # 关闭套接字

现在我们先简单分析一下服务器端的代码，下节课我们会详细讲解套接字的各种知识，大家这节课先把服务器和客户端跑起来，能正常通信就达到了学习的目的。

首先，创建一个基于 IPv4 和 TCP 协议的 Socket。其中 AF_INET 代表协议家族，AF_INET（又称 PF_INET）是 IPv4 网络协议的套接字类型，AF_INET6 则是 IPv6 的；而 AF_UNIX 则是 Unix 系统本地通信，我们使用 AF_INET 的目的就是使用 IPv4 进行通信，因为目前 IPv6 还没有普及。SOCK_STREAM 是指流式套接字，也就是基于 TCP 协议的 socket。

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

服务器进程的套接字首先要绑定一个 IP，我在此绑定的 IP 是 0.0.0.0，该 IP 代表本机的所有 IP 都可以，该 IP 代表本机回送 IP127.0.0.1 或者本机公网 IP 或者本机局域网 IP。然后服务器进程还需要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立 socket 连接，随后的通信就靠这个 socket 连接了。

如果我们把电脑看成一个小区，IP 地址就相当于一个小区，一个小区有很多户人家，端口就相当于一个小区的某户人家，两个进程通信，就是来访者到该小区的某户进行拜访交流。所以套接字一定要包含 IP 和端口才能通信。

服务器可以同时响应多个客户端的请求，就如某户人家可以同时接待很多朋友来访一样。但是，每个服务器对每个客户端的连接都需要并发处理，这样才不会让客户端感觉受到了怠慢，并发的方案有多进程多线程或者单线程异步轮询比如协程等等，否则，服务器一次就只能服务一个客户端了。

sv_socket.bind(('0.0.0.0', 8889))

listen 的参数代表的是 TCP/IP 协议栈缓冲区最大阻塞监听连接数，也就是可以存储的返回给 accept 的客户端的连接请求最大个数，这个参数是面试题经常问到的问题，很少有人能正确的回答，下节课我们会用案例来详细讲解这个参数。

sv_socket.listen(5)

关于 accept 的是什么意思，也是面试的时候经常问到的问题，accept 是服务器进程从操作系统的 TCP/IP 协议栈缓冲区中取出发起连接的客户端的套接字，这个套接字就是 listen 对接的客户端的套接字，当 accept 取出该套接字返回给应用层，协议栈就把该套接字去掉，listen 可处理的客户端连接就多出来一个。

server_socket, addr = sv_socket.accept()

很多人认为 recv 是接收客户端发来的字节流，这是错误的认知，实际上 recv 是从当前操作系统的 TCP/IP 协议栈缓冲区内取出网卡已经接收到的客户端发来的字节流。关于 recv 的案例我们下节课详细讲解。

注意：我们用 recv 接收到的数据是客户端发来的字节流（因为网络上只能传输字节流），所以我们用 decode("utf-8") 解码成字符串。

client_data = server_socket.recv(1024).decode("utf-8")

如果客户端调用 close 关闭套接字，我们服务器端就会收到客户端发来的空字节流（注意：这个空字节流是客户端的操作系统的 TCP 协议栈发送的），所以我们判断 client_data 为空时，我就认为客户端关闭连接。

我们脑补一下，双方通信就如一次会谈，有的客人想主动结束这次会谈，直接就走了（直接调用套接字的 close），但有些客人出于礼貌，他在走之前发给我们一个含蓄的信息，告诉我们他想走了，让我们主动结束这次会谈。对于代码 client_data == "exit"，这个意思就是客户端告诉我们他想走了，我们也不强人所难，就调用了 break 退出这个循环。然后调用 server_socket.close()结束这次会谈。

if (client_data == "exit") or (not client_data)
    break

send 函数并不是把数据发送到对方机器上，而是发送数据到本机操作系统的 TCP/IP 协议栈缓冲区，然后由协议栈缓冲区通过网卡把数据发送到网络上，数据在网络上通过路由器找到客户端的 IP 地址，然后在通过端口号找到客户端的通信进程。

因为网络上只能传送字节流，我们首先用代码 encode("utf-8")要把发送的数据编码成字节流，然后调用 send 发送到本机的 TCP/IP 协议栈缓冲区。

server_socket.send(server_data.encode("utf-8"))

注意，在输入内容的时候，如果直接敲回车，input 会收到空字符串，但是，send 函数是不能发送空内容的（只有调用 close 的时候，操作系统的 TCP 协议栈才能发送空字节流），所以，send 就成了一条无效的语句。

客户端

我们在此写个和服务器通信的客户端代码，大家先运行上面的服务器代码，然后再运行这个客户端代码，双方就可以进行数据传输了，客户端代码如下。

import socket

client_socket = socket.socket()     # 创建套接字
ip_port = ("127.0.0.1", 8889)       # 要连接的服务器的 ip 和端口
client_socket.connect(ip_port)      # 连接服务器
while True:
    client_data = input("请输入要发送给服务器的信息：")
    client_socket.send(client_data.encode("utf-8"))         # 发送信息

    server_data = client_socket.recv(1024).decode("utf-8")  # 接收信息
    if (server_data == "exit") or (not server_data):        # 判断服务器是否申请结束会话或客户端是否退出
        break
    print("收到服务器信息：%s" % server_data)

client_socket.close()  # 关闭套接字

我们在此先简单分析一下客户端的代码，下节课我们会详细讲解客户端的几个经常被理解错误，面试经常被问到的几个函数，这节课先把服务器和客户端跑起来，能正常通信就达到了学习的目的。

首先，客户端应该知道通信的服务器端的 IP 和端口，注意，客户端不能用 "0.0.0.0"这个地址去连接服务器，如果客户端和服务器是在一台机器上，我们一般用 "127.0.0.1"，如果是在同一个局域网的不同机器上，我们用服务器的局域网 IP 地址（192.168.X.X 或者10.X.X.X）开头的 IP 地址，如果不在同一局域网上，我们用服务器的公网 IP。当然，如果是同一台机器，我们可以使用 "127.0.0.1"，也可以使用局域网 IP 或者公网 IP。

ip_port = ("127.0.0.1", 8889)       # 要连接的服务器的 ip 和端口

connect 函数向服务器端发起来三次握手，三次握手成功后，就和服务器建立了连接，关于连接这个概念，也是面试的时候经常要问的，老鸟面试了 N 多个程序员，能说出个所以然的码农很少，包括很多大厂的资深程序员，我在此简单说一下，详细分析放到下一节课，三次握手建立的连接是逻辑上的概念，也就是双方的操作系统的 TCP/IP 协议栈缓冲区的套接字状态设定为 ESTABLISHED 状态，这个值就是认为双方是连接上了（经过了三次握手的考验），哪怕你把双方的网线拔掉了，这两个进程也认为他俩还是连接着的。就如有个段子说的：“我们只认证，不认人”。

client_socket.connect(ip_port)      # 连接服务器

大家还记得服务器端的 listen 函数吗，我们这个客户端的 connect 成功后，服务器进程所在的计算机就会在他的操作系统的 TCP/IP 协议栈缓冲区中创建一个和客户端通信的套接字，这个套接字就占用了一个 listen 名额，被阻塞在 listen 队列中，直到服务器的 accept 函数从协议栈缓冲区取出这个套接字。

程序结果演示

首先我们先运行服务器，然后运行客户端，在客户端中输入“hello”，然后敲回车，这时候我们就看到服务器程序打印出了“收到客户端信息：hello”。然后服务器输入“你好，老鸟python”，这时候我们看到客户端程序打印出“收到服务器信息：你好，老鸟python”。我们在客户端输入“exit”，然后我们发现服务器进程结束，客户端进程也结束了。

注意：同一种协议类型的端口一旦被占用，就不能再被其它进程使用了，比如我们服务器绑定了基于 TCP 协议的端口 8889，其它基于 TCP 协议的进程如果再绑定 8889 端口，就会失败。如果是基于其它协议类型，比如 UDP，则可以使用 8889端口，这个端口和 TCP 的 8889 端口不是一个。当然，UDP 的端口也不能被同一种协议重复绑定。