Python 中的套接字程式設計：初學者指南

1. 在 Python 中如何實現 Socket 程式設計
2. 如何在 Python 的 Socket 程式設計中建立伺服器
3. 在 Python 中使用 UDP 協議進行套接字程式設計
4. まとめ

通常，當我們編寫程式時，我們不需要與其他程式或計算機進行通訊。

但是，我們可能需要與其他計算機通訊以建立具有伺服器-客戶端架構的信使或其他應用程式。為了建立這樣的應用程式，我們可以使用 Python 中的套接字程式設計。

本文將討論 Python 中套接字程式設計的基礎知識。我們還將使用 TCP 和 UDP 協議的套接字程式設計分別實現一個簡單的訊息應用程式。

Python 中的套接字是什麼

當兩個應用程式或程序互動時，它們使用指定的通訊通道。套接字是此類通訊通道的端點或入口點。

我們可以使用套接字在兩個程序之間、一個程序內或不同機器上的程序之間建立通訊通道。有不同型別的套接字，例如 TCP 套接字、UDP 套接字和 UNIX 域套接字。

在 Python 中如何實現 Socket 程式設計

Python 為我們提供了 socket 模組來實現套接字程式設計。socket 模組是標準 Python 庫的一部分，它提供了你可以在 Python 中建立套接字的所有函式和方法。

你不需要在你的機器中顯式下載 socket 模組，你可以使用如下 import 語句直接將其匯入你的程式中。

import socket

要實現套接字程式設計，我們需要建立兩個使用套接字進行通訊的程序。

其中一個程式用作伺服器，另一個程式用作客戶端。伺服器和客戶端都有不同的功能。因此，我們在建立伺服器和客戶端程序時使用不同的功能。

讓我們一一討論如何建立伺服器和客戶端程序。

如何在 Python 的 Socket 程式設計中建立伺服器

要建立伺服器，我們將首先建立一個套接字。為此，我們使用 socket() 方法。

建立一個套接字：socket() 方法

socket() 方法的語法如下。

socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)

這裡，

• 引數 family 表示套接字所屬的地址族。預設情況下，它是 AF_INET，並使用 Internet 協議版本 4 (IPv4) 地址建立一個套接字。你可以使用其他地址系列，例如用於 UNIX 地址的 AF_UNIX 和用於 Internet 協議版本 6 (IPv6) 地址的 AF_INET6。
• 引數 type 表示套接字型別。預設情況下，它的值 SOCK_STREAM 表示套接字將遵循面向連線的 TCP 協議。你可以使用 SOCK_DGRAM 建立遵循 UDP 協議的資料包套接字。
• 引數 proto 表示協議號，通常為 0。如果在引數族中使用地址族 AF_CAN，則協議號應為 CAN_RAW、CAN_BCM、CAN_ISOTP 或 CAN_J1939 之一。
• 引數 fileno 包含預設值 None。如果我們在 fileno 中指定檔案描述符，引數 family、type 和 proto 的值會自動從檔案描述符中檢測。

建立套接字後，我們使用 bind() 方法將其繫結到地址和埠號。

將套接字繫結到地址：bind() 方法

使用 socket() 函式，在我們建立的套接字物件上呼叫 bind() 方法。

它需要一個包含套接字將繫結到的地址的元組。地址的格式可能會因你選擇的地址系列而異。我們將建立一個地址族為 AF_INET 的套接字。因此，地址將包含主機名和埠號。

bind() 方法的語法如下。

bind((hostname, port))

你可以明確指定主機名。如果你在本地機器上建立伺服器，你可以將主機名指定為 localhost 或 127.0.0.1，這是 localhost 地址的預設值。

或者，你可以使用 gethostname() 方法獲取主機名。對於引數 port，你可以使用大於 1024 且小於 65535 的任何埠號。

將套接字繫結到地址後，伺服器會監聽客戶端的連線請求。為此，我們使用 listen() 方法。

監聽連線：listen() 方法

listen() 方法的語法如下。

listen(backlog)

這裡，引數 backlog 表示在拒絕新連線之前系統將允許的最大未接受連線數。

執行 listen() 方法後，伺服器準備好接受連線。

接受連線請求：accept() 方法

伺服器不斷地在無限迴圈中執行，並監聽客戶端請求以接受來自客戶端的連線。一旦找到客戶端請求，伺服器使用 accept() 方法接受請求。

accept() 方法返回一個元組 (client, address)。在這裡，client 表示我們用來傳送和接收訊息的新套接字物件。地址 是繫結客戶端套接字的位置。

與客戶端通訊：send() 和 recv() 方法

接受連線後，伺服器可以與客戶端進行通訊。

我們使用 send() 方法向客戶端傳送訊息。send() 方法在 accept() 方法返回的 client 物件上呼叫。

我們使用 recv() 方法來接收訊息。recv() 方法，當在 client 物件上呼叫時，接受一個數字，表示它可以從連線中讀取的最大位元組數。執行後，返回從連線中讀取的資料。

所有操作完成後，我們需要關閉連線。為此，我們在 accept() 方法返回的 client 物件上呼叫 close() 方法。

在討論了建立伺服器所需的所有方法之後，讓我們建立一個伺服器程序。

import socket

mySocket = socket.socket(
    family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None
)
print("Socket created.")
hostname = "localhost"
portno = 9999
mySocket.bind((hostname, portno))
print("Socket bound to address {} and port number {}".format(hostname, portno))
mySocket.listen(5)
print("Listening for client.")
while True:
    client, client_addr = mySocket.accept()
    print("Connection established with client at address {}".format(client_addr))
    msg = client.recv(1024).decode()
    print("Message received from the client:")
    print(msg)
    print("Sending acknowledgment to the client.")
    msg_out = "Message received: {}. Thank you.".format(msg).encode()
    client.send(msg_out)
    print("Terminating the connection.")
    client.close()
    break

現在我們已經建立了一個伺服器，讓我們建立一個將與伺服器通訊的客戶端程序。

如何在 Socket 程式設計中建立客戶端

要建立客戶端，我們首先需要使用 socket() 方法建立一個套接字，就像我們在建立伺服器時所做的那樣。請記住，為客戶端套接字定義的協議應該與伺服器套接字相同。否則，程式將無法按預期執行。

建立套接字後，我們需要將其連線到伺服器。為此，我們將使用 connect() 方法。

連線到伺服器：connect() 方法

connect() 方法的語法如下。

connect((host, port))

這裡，引數 host 表示伺服器的地址。引數 port 表示建立伺服器套接字的埠號。在建立伺服器時，你應該為提供給 bind() 方法的主機和埠引數提供與輸入相同的值。

與伺服器通訊

連線到伺服器後，你可以使用 send() 和 recv() 方法與伺服器通訊。最後，這將有助於使用 close() 方法從客戶端關閉連線。

以下是我們將用於建立客戶端程序的客戶端程式。

import socket

mySocket = socket.socket(
    family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None
)
print("Socket created.")
hostname = "localhost"
portno = 9999
mySocket.connect((hostname, portno))
print("Connection established with the server.")
msg = "Hi I am a TCP client created by Aditya."
print("Sending msg to the server:", msg)
mySocket.send(msg.encode())
msg_in = mySocket.recv(1024).decode()
print("Acknowledgment received from the server:")
print(msg_in)
print("Terminating the Connection.")
mySocket.close()

建立伺服器和客戶端後，讓我們現在執行程式。請記住，你應該同時執行客戶端程式和伺服器程式，以便兩個程序可以同時處於活動狀態並相互通訊。

帶有伺服器程式的終端中的輸出將如下所示：

Socket created.
Socket bound to address localhost and port number 9999
Listening for client.
Connection established with client at address ('127.0.0.1', 37958)
Message received from the client:
Hi I am a TCP client created by Aditya.
Sending acknowledgment to the client.
Terminating the connection.

帶有客戶端程式的終端中的輸出將如下所示：

Socket created.
Connection established with the server.
Sending msg to the server: Hi I am a TCP client created by Aditya.
Acknowledgment received from the server:
Message received: Hi I am a TCP client created by Aditya.. Thank you.
Terminating the Connection.

在 Python 中使用 UDP 協議進行套接字程式設計

在前面的部分中，我們在連線中建立了遵循 TCP 協議的套接字。在 TCP 協議中，客戶端和伺服器之間的連線在整個通訊過程中保持不變。

但是，在很多情況下，由於資源限制，我們無法保持客戶端和伺服器之間的穩定連線。因此，我們需要一個不需要穩定連線的通訊協議。為此，我們使用 UDP 協議。

在 Python 中如何使用 UDP 協議建立伺服器

要使用 UDP 協議建立連線，我們需要在實現伺服器時遵循以下步驟。

• 在使用 socket() 方法建立伺服器套接字時，在型別引數的輸入中指定 SOCK_DGRAM。
• 使用 bind() 方法將套接字繫結到地址和埠號。
• 由於我們不需要與客戶端建立連線，因此我們不使用 listen() 和 accept() 方法來建立連線。我們可以直接開始與客戶溝通。
• 要在 UDP 協議中接收訊息，我們使用 recvfrom() 方法。它將要讀取的位元組數作為輸入引數，並返回一個元組，其中包含資料和接收資料的地址。
• 要在 UDP 協議中傳送訊息，我們使用 sendto() 方法。sendto() 方法將資料作為其第一個輸入引數，並將包含主機名和埠號的元組作為資料將傳送到的套接字地址。
• 通訊後，你必須使用 close() 方法關閉套接字。

使用以下 Python 程式，你可以實現一個與 UDP 協議通訊的伺服器程序。

import socket

mySocket = socket.socket(
    family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, proto=0, fileno=None
)
print("Socket created.")
hostname = "localhost"
portno = 9999
mySocket.bind((hostname, portno))
print("Socket bound to address {} and port number {}".format(hostname, portno))
while True:
    msg, client_addr = mySocket.recvfrom(1024)
    print("Message received from the client:")
    print(msg.decode())
    print("Sending acknowledgment to the client.")
    msg_out = "Message received: {}. Thank you.".format(msg).encode()
    mySocket.sendto(msg_out, client_addr)
    mySocket.close()
    break

在 Python 中如何使用 UDP 協議建立客戶端

要建立遵循 UDP 協議的客戶端程序，我們需要通過在 type 引數的輸入中指定 SOCK_DGRAM 來建立套接字，同時使用 socket() 方法建立伺服器套接字。我們不需要在這裡使用 connect() 方法，因為我們不必建立連線。

建立套接字後，我們可以使用 sendto() 和 recvfrom() 方法直接開始與伺服器通訊。與伺服器通訊後，不要忘記使用 close() 方法關閉套接字。

使用以下 Python 程式，你可以實現與 UDP 協議通訊的客戶端程序。

import socket

mySocket = socket.socket(
    family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM, proto=0, fileno=None
)
print("Socket created.")
while True:
    msg = "Hi I am a UDP client created by Aditya."
    print("Sending msg to the server:", msg)
    mySocket.sendto(msg.encode(), ("localhost", 9999))
    msg_in = mySocket.recv(1024).decode()
    print("Acknowledgment received from the server:")
    print(msg_in)
    print("Terminating the Connection.")
    mySocket.close()
    break

同樣，要觀察輸出，你應該同時執行客戶端程式和伺服器程式，以便兩個程序可以同時處於活動狀態並且可以相互通訊。

帶有伺服器程式的終端中的輸出將如下所示：

Socket created.
Socket bound to address localhost and port number 9999
Message received from the client:
Hi I am a UDP client created by Aditya.
Sending acknowledgment to the client.

帶有客戶端程式的終端中的輸出將如下所示：

Socket created.
Sending msg to the server: Hi I am a UDP client created by Aditya.
Acknowledgment received from the server:
Message received: b'Hi I am a UDP client created by Aditya.'. Thank you.
Terminating the Connection.

まとめ

在本文中，我們討論了 Python 中的套接字程式設計。我們還分別使用 TCP 和 UDP 協議實現了客戶端和伺服器程式，以學習 Python 中套接字程式設計的基礎知識。

TCP 是面向連線的，因此是一種可靠的協議。使用 TCP 協議時，可以保證訊息從伺服器到達客戶端，反之亦然。在 UDP 中，不能保證訊息將被傳遞到所需的目的地。

另一方面，UDP 協議更快、更容易實現，而 TCP 協議速度較慢。另外，TCP 協議不能用於廣播，而我們可以使用 UDP 協議進行廣播。

根據可用資源和你的需要，你可以選擇任何協議來使用套接字實現客戶端-伺服器通訊。