Python Socket套接字基础：TCP通信实现与代码解析

前言

Python语言内置了Socket套接字模块，用于实现底层的网络通信功能。

在Python应用程序中，通常通过Socket“套接字”向网络发起请求或响应网络请求，从而实现主机之间或同一台计算机上不同进程之间的通信。

服务器和客户端的源代码

服务器端

#coding=utf-8
#创建TCP服务器
import socket
import time
from time import ctime

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8080
BUFSIZE=1024
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  
sock.bind((HOST, PORT))  
sock.listen(5)
addr=(HOST,PORT)
while True:
    print('waiting for connection...')
    sock,addr =sock.accept()
    print('...connected from:',addr)
    while True:
        data =sock.recv(BUFSIZE).decode()
        print('date=',data)
        if not data:
            break
        sock.send(('[%s] %s' %(ctime(),data)).encode())
sock.close()

客户端

#coding=utf-8
#创建TCP客户端

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8080
BUFSIZE = 1024
ADDR=(HOST,PORT)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect((HOST, PORT)) 

while True:
    data = input('> ')
    if not data:
        break
    sock.send(data.encode())
    data = sock.recv(BUFSIZE).decode()
    if not data:
        break
    print(data)

sock.close()

执行结果显示：

首先运行服务器端程序，运行结果如图1所示：

随后运行客户端程序，效果如图2所示。

需要注意的是：服务器端和客户端必须在两个独立的IDLE Shell环境中打开。如果两者在同一个Shell中运行，客户端一旦启动，服务器程序就会中止执行，导致客户端无法连接服务器并报错，具体错误如图3所示。

我们在图2的客户端界面中输入需要传输的信息，然后按回车键。此时，在服务器端可以看到收到了相关信息，具体表现如图4（客户端发送信息）和图5（服务器端接收信息）所示。

源代码解析

我们从服务器端的代码开始分析，首先展示部分核心代码：

import socket
import time
from time import ctime

前三行代码导入了三个模块，分别是socket模块、time模块以及从time模块中导入的ctime函数。

1）socket模块提供了与Socket套接字相关的各项功能，后续代码中大量使用了该模块。这里先介绍一个关键函数，其他功能将在后文介绍： sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

功能：创建套接字对象，并将创建好的套接字赋值给变量sock。后续程序中所有与套接字相关的操作都将通过sock变量完成。

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

参数说明：

family：套接字家族，可以是AF_UNIX或AF_INET。AF_INET指面向网络的因特网通信；AF_UNIX基于文件系统的通信。在本例中，我们使用AF_INET，利用因特网进行通信。

type：套接字类型，根据连接方式可分为SOCK_STREAM（面向连接）或SOCK_DGRAM（无连接）。

SOCK_STREAM：对应TCP协议，提供面向连接、可靠的数据传输服务。数据无差错、无重复发送，并按发送顺序接收。内部设置流量控制，避免数据流淹没慢速接收方。数据被视为字节流，无长度限制。

SOCK_DGRAM：对应UDP协议，提供无连接服务。数据包以独立形式发送，不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，顺序发送但可能乱序接收。

本例中选择TCP协议，即使用SOCK_STREAM类型。

protocol：通常不填写，默认为0。

2）time模块用于处理Python中与时间相关的计算，例如time.sleep(5)用于延时5秒，time.time()返回当前时间的时间戳等。 下面的ctime也是其功能之一，该函数将一个时间戳（按秒计算的浮点数）转换为time.asctime()的格式，便于观察。转换后的格式如下：

print “time.ctime() : %s” % time.ctime()

结果：time.ctime() : Tue Feb 17 10:00:18 2013

在我们的示例中，图4圈2处显示的就是转换后的时间字符串。

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8080
BUFSIZE=1024
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  
sock.bind((HOST, PORT))  
sock.listen(5)
addr=(HOST,PORT)

看完头部代码后，我们继续分析第二部分。

前三行定义了三个变量：HOST、PORT、BUFSIZE，分别代表服务器的IP地址、端口号以及接收数据的最大缓冲区大小。

第四句sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 定义了Socket套接字对象。

第五句sock.bind((HOST, PORT))，将IP地址和端口绑定到定义的套接字sock上。

第六句sock.listen(5)，开始TCP监听。括号中的5表示在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量。该值至少为1，大部分应用程序设为5即可。

第七句addr=(HOST,PORT)，定义了一个变量addr，并将地址以元组形式赋值给addr。

while True:
    print('waiting for connection...')
    sock,addr =sock.accept()
    print('...connected from:',addr)
    while True:
        data =sock.recv(BUFSIZE).decode()
        print('date=',data)
        if not data:
            break
        sock.send(('[%s] %s' %(ctime(),data)).encode())
        sock.close()
sock.close()

这是服务器代码的最后一部分，也是通信的主体。首先进入一个while True:的永真循环，进入后执行print(‘waiting for connection…')，这就是图1上蓝色文字所表示的部分。

第三行执行sock,addr =sock.accept()。sock.accept()用于被动接受TCP客户端连接（阻塞式），等待连接到来。当客户机启动并提交请求后，服务器接受请求，并将客户端的IP地址等信息存入变量addr中。

第四行执行print('…connected from:',addr)，因此输出字符串…connected from:以及客户端传来的IP地址和端口信息。

至此，服务器和客户端的通信连接已建立。

接下来开始传送数据，再次进入一个永真循环，相关代码如下：

  while True:
        data =sock.recv(BUFSIZE).decode()
        print('date=',data)
        if not data:
            break
        sock.send(('[%s] %s' %(ctime(),data)).encode())
        sock.close()

第二行：data =sock.recv(BUFSIZE).decode()。

sock.recv（）表示接收TCP数据，数据以字符串形式返回，BUFSIZE指定要接收的最大数据量。

decode() 将其他编码的字符串解码成unicode格式。

这里需要特别说明，参考上图：

字符串在Python内部是用unicode编码来表示，而在硬盘存储时是utf-8格式。因此在存储和使用时需要进行格式转换，转换方式如下：

decode 将其他编码的字符串(例如utf-8)解码成unicode格式。

encode 将unicode编码成另一种编码格式(例如utf-8)。

当然decode和encode不仅可以转换utf-8类型，转换的类型可以通过encoding参数指定，不过我们常用的是默认设置。

总结一下，data =sock.recv(BUFSIZE).decode()执行结束后，表示已将客户端的数据接收过来并存放到了data变量中。

下面进行第三行print(‘date=',data)，打印数据，结果就是图5中的圈3所表示的内容。

第四行及第五行：如果没有接收到数据，则跳出循环，继续监听。

if not data: break

第六行 sock.send(('[%s] %s' %(ctime(),data)).encode())，向客户端发送转换格式(encode)后的数据。

数据包括两部分，第一部分是ctime()，表示以字符串形式表示的时间；data表示变量中存储的信息。前面还有一部分'[%s] %s'中的%s格式化字符串，用于形成所需的输出格式。

最后一句sock.close()，关闭套接字。

这样服务器端代码就完成了。我们再来看客户端代码。

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8080
BUFSIZE = 1024
ADDR=(HOST,PORT)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect((HOST, PORT)) 

这里只解释几句，HOST = ‘127.0.0.1' 和 PORT = 8080，这两句分别指定了服务器端的IP地址和端口号。

sock.connect((HOST, PORT)) 这一句是利用创建好的socket套接字主动初始化TCP服务器连接，即向服务器提出申请，服务器端用sock.accept()接受请求。

这一句执行完之后，通信就建立起来了，在服务器端会执行print('…connected from:',addr)，结果如图5圈2所示。

while True:
    data = input('> ')
    if not data:
        break
    sock.send(data.encode())
    data = sock.recv(BUFSIZE).decode()
    if not data:
        break
    print(data)
sock.close()

接下来进入永真循环，先是input函数，输出> 后等待输入，如图2所示。例如输入hi，server，如图4的圈1，然后后两句是

if not data: break

如果没有输入，则跳出循环。

第五行sock.send(data.encode())，将输入的数据转换格式后将数据发送给服务器端。这时把hi，server发送给服务器端，服务器用data =sock.recv(BUFSIZE).decode()来接收，同时用print(‘date=',data)打印出来，结果如5的圈3所示。

这时，服务器会继续执行sock.send(('[%s] %s' %(ctime(),data)).encode())，把当前的时间和数据发送给客户端。

而在客户端，执行data = sock.recv(BUFSIZ).decode()，所以客户端会接收到相应的数据，并且打印出来，结果如图4的圈2所示。

以上就是Socket套接字的TCP通信过程。

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