2.3　Socket编程

除了基于HTTP等标准协议的Web应用，Internet上还有很大一部分应用是基于非公有协议的。无论使用哪种语言进行非标准协议的开发，都需要了解Socket编程的基本知识。本节学习Socket的概念及用Socket进行TCP、UDP开发的方法。

注意：本节介绍的Socket知识不仅可用于Python网络编程，同样适用于其他所有编程语言。

2.3.1　Socket基础

Socket原指“孔”或“插座”，它最初作为BSD UNIX的进程通信机制，通常被称作“套接字”。当然，Socket是一个通信链的句柄，如今已经是Windows和macOS等其他操作系统所共同遵守的网络编程标准，用于描述IP地址和端口，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信，当然也可以实现相同主机内的不同进程间的通信。Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务，每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应不同的服务。

在操作系统结构上，Socket为应用程序屏蔽了TCP/IP网络传输层及以下的网络细节，如图2.6所示。Socket为操作系统的用户空间提供网络抽象，开发者编写的网络程序都会直接或间接地用到Socket抽象。通过Socket抽象可以控制传输层协议TCP和UDP，甚至包括部分网络层协议，例如IP和ICMP。

注意：本书只涉及Socket的TCP和UDP编程。

Socket使用IP地址+端口+协议的三元组唯一标识一个通信链路。服务器端的一个通信链路可以对应于多个客户端，比如一个Web服务器的80端口可以同时服务大量的客户端。

2.3.2　实战演练：Socket TCP原语

用Socket进行网络开发需了解服务器和客户端的Socket原语，每个原语在不同的高级语言中都有相应的实现方式。TCP的Socket原语，如图2.7所示。所有基于TCP的Socket通信都遵循如图2.7所示的流程。下面解释每个原语的含义。

· socket()：建立Socket对象。Socket是以类似文件系统的“打开、读写、关闭”的模式设计的，socket()原语相当于“打开”。socket()原语的参数通常包括使用的传输层协议类型、网络层地址类型等。

· bind()：绑定。在参数中需要传入要绑定的IP地址和端口。IP地址必须是主机上的一个可用的地址（除了用0.0.0.0指定绑定所有的本机IP）。端口必须是一个该Socket协议未被占用的端口，比如当一个主机上的两个程序试图同时绑定到80端口时，只有一个程序能够成功。服务器端程序在listen()之前必须进行bind()操作，而客户端程序如果在connect()原语之前没有调用bind()，则系统会自动为该Socket分配一个未被占用的地址和端口。

技巧：当主机上存在多个IP时，绑定地址0.0.0.0可以监听所有这些可用的IP。

· listen()：监听。只在服务器端有用，告诉操作系统开始监听之前绑定的IP地址和端口，可以在参数中指定允许排队的最大连接数量。

· connect()：在客户端连接服务器。参数中需要指定服务器的地址和端口。调用connect()可能有两种结果，即与服务器端完成TCP 3次握手并建立连接或者连接服务器失败。

· accept()：接收连接。只在服务器端有用，从监听到的连接中取出一个，并将其包装成一个新的Socket对象。这个新的Socket对象可被用于和相应的客户端进行通信。完成accept()标志着Socket已经完成了TCP链路建立阶段的3次握手。如果当前没有客户端连接请求，则accept()调用会阻塞等待。

· send()：发送数据。服务器和客户端均可调用send()向对方发送数据，在send()的参数中传入要发送的数据，通过send()的返回值判断数据是否发送成功。

· recv()：接收数据。服务器和客户端均可调用recv()从对方接收数据。如果Socket中没有消息可以读取，则在默认情况下recv()调用会被阻塞直到有消息到达；开发者也可以将Socket设置为非阻塞模式，使recv()以失败形式返回。

· close()：关闭连接。通信中的任何一方可以调用close()发起关闭连接请求，另一方收到后也调用close()关闭连接。

【示例2-1】下面通过Python代码演示Socket编程方法，TCP服务器端的代码如下：

包socket封装了所有Python的原生Socket操作，代码中通过socket()、bind()、listen()的一系列调用实现了对指定端口的监听，通过accept()接收客户端的连接，当有客户端连接成功后将当前系统时间发送给客户端，并马上关闭连接。因为代码主体处于while循环中，所以程序将不断监听并一直运行。

注意：send()函数接收的参数为bytes类型，因此在调用该函数时需要将字符串参数通过.encode(‘utf-8’)方法转换为bytes类型。

与该服务器端的代码相对应的客户端的代码如下：

客户端通过connect()调用、连接服务器，连接成功后接收从服务器发来的数据，然后关闭连接、退出程序。

现在尝试服务器与客户端通信的执行效果，首先启动服务器程序：

服务器程序将进入等待连接状态。然后打开另外一个控制台，执行客户端程序如下：

从以上输出中已经可以看到服务器发送过来的当前时间，说明已经成功进行通信。同时，服务器窗口中可以看到如下输出结果：

注意：客户端的Socket端口号由系统自动分配。

2.3.3　实战演练：Socket UDP原语

UDP相对于TCP在传输层提供更少的控制，没有建立连接、断开连接等概念，所以基于UDP的Socket通信过程也比TCP稍微简单。在UDP中可以直接通过指定IP:Port进行数据收发。UDP Socket可以复用TCP中的socket()和bind()原语，除此之外，UDP属于自己的Socket原语如下。

· recvfrom ()：从绑定的地址接收数据。

· sendto ()：向指定的地址发送数据，在调用的参数中应该传入通信对端的地址和端口。

【示例2-2】UDP的Python服务器端的代码示例如下：

代码通过socket()和bind()调用绑定了本地所有地址的3434端口，通过socket()中的SOCK_DGRAM指定Socket使用UDP，在一个循环中不断地接收数据并打印。相应的UDP客户端的Python代码如下：

客户端直接调用sendto()向指定的地址发送数据。

与TCP类似，在启动客户端之前同样需要先运行服务器程序：

现在执行客户端程序，执行结果如下：

相应的服务器端执行结果，其中的客户端端口52156由客户端程序在调用sendto()时自动生成：