# TCP編程 Socket是網絡編程的一個抽象概念。通常我們用一個Socket表示“打開了一個網絡鏈接”，而打開一個Socket需要知道目標計算機的IP地址和端口號，再指定協議類型即可。 ## 客戶端 大多數連接都是可靠的TCP連接。創建TCP連接時，主動發起連接的叫客戶端，被動響應連接的叫服務器。 舉個例子，當我們在瀏覽器中訪問新浪時，我們自己的計算機就是客戶端，瀏覽器會主動向新浪的服務器發起連接。如果一切順利，新浪的服務器接受了我們的連接，一個TCP連接就建立起來的，后面的通信就是發送網頁內容了。 所以，我們要創建一個基于TCP連接的Socket，可以這樣做： ``` # 導入socket庫: import socket # 創建一個socket: s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立連接: s.connect(('www.sina.com.cn', 80)) ``` 創建`Socket`時，`AF_INET`指定使用IPv4協議，如果要用更先進的IPv6，就指定為`AF_INET6`。`SOCK_STREAM`指定使用面向流的TCP協議，這樣，一個`Socket`對象就創建成功，但是還沒有建立連接。 客戶端要主動發起TCP連接，必須知道服務器的IP地址和端口號。新浪網站的IP地址可以用域名`www.sina.com.cn`自動轉換到IP地址，但是怎么知道新浪服務器的端口號呢？ 答案是作為服務器，提供什么樣的服務，端口號就必須固定下來。由于我們想要訪問網頁，因此新浪提供網頁服務的服務器必須把端口號固定在`80`端口，因為`80`端口是Web服務的標準端口。其他服務都有對應的標準端口號，例如SMTP服務是`25`端口，FTP服務是`21`端口，等等。端口號小于1024的是Internet標準服務的端口，端口號大于1024的，可以任意使用。 因此，我們連接新浪服務器的代碼如下： ``` s.connect(('www.sina.com.cn', 80)) ``` 注意參數是一個`tuple`，包含地址和端口號。 建立TCP連接后，我們就可以向新浪服務器發送請求，要求返回首頁的內容： ``` # 發送數據: s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n') ``` TCP連接創建的是雙向通道，雙方都可以同時給對方發數據。但是誰先發誰后發，怎么協調，要根據具體的協議來決定。例如，HTTP協議規定客戶端必須先發請求給服務器，服務器收到后才發數據給客戶端。 發送的文本格式必須符合HTTP標準，如果格式沒問題，接下來就可以接收新浪服務器返回的數據了： ``` # 接收數據: buffer = [] while True: # 每次最多接收1k字節: d = s.recv(1024) if d: buffer.append(d) else: break data = b''.join(buffer) ``` 接收數據時，調用`recv(max)`方法，一次最多接收指定的字節數，因此，在一個while循環中反復接收，直到`recv()`返回空數據，表示接收完畢，退出循環。 當我們接收完數據后，調用`close()`方法關閉Socket，這樣，一次完整的網絡通信就結束了： ``` # 關閉連接: s.close() ``` 接收到的數據包括HTTP頭和網頁本身，我們只需要把HTTP頭和網頁分離一下，把HTTP頭打印出來，網頁內容保存到文件： ``` header, html = data.split(b'\r\n\r\n', 1) print(header.decode('utf-8')) # 把接收的數據寫入文件: with open('sina.html', 'wb') as f: f.write(html) ``` 現在，只需要在瀏覽器中打開這個`sina.html`文件，就可以看到新浪的首頁了。 ## 服務器 和客戶端編程相比，服務器編程就要復雜一些。 服務器進程首先要綁定一個端口并監聽來自其他客戶端的連接。如果某個客戶端連接過來了，服務器就與該客戶端建立Socket連接，隨后的通信就靠這個Socket連接了。 所以，服務器會打開固定端口（比如80）監聽，每來一個客戶端連接，就創建該Socket連接。由于服務器會有大量來自客戶端的連接，所以，服務器要能夠區分一個Socket連接是和哪個客戶端綁定的。一個Socket依賴4項：服務器地址、服務器端口、客戶端地址、客戶端端口來唯一確定一個Socket。 但是服務器還需要同時響應多個客戶端的請求，所以，每個連接都需要一個新的進程或者新的線程來處理，否則，服務器一次就只能服務一個客戶端了。 我們來編寫一個簡單的服務器程序，它接收客戶端連接，把客戶端發過來的字符串加上`Hello`再發回去。 首先，創建一個基于IPv4和TCP協議的Socket： ``` s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) ``` 然后，我們要綁定監聽的地址和端口。服務器可能有多塊網卡，可以綁定到某一塊網卡的IP地址上，也可以用`0.0.0.0`綁定到所有的網絡地址，還可以用`127.0.0.1`綁定到本機地址。`127.0.0.1`是一個特殊的IP地址，表示本機地址，如果綁定到這個地址，客戶端必須同時在本機運行才能連接，也就是說，外部的計算機無法連接進來。 端口號需要預先指定。因為我們寫的這個服務不是標準服務，所以用`9999`這個端口號。請注意，小于`1024`的端口號必須要有管理員權限才能綁定： ``` # 監聽端口: s.bind(('127.0.0.1', 9999)) ``` 緊接著，調用`listen()`方法開始監聽端口，傳入的參數指定等待連接的最大數量： ``` s.listen(5) print('Waiting for connection...') ``` 接下來，服務器程序通過一個永久循環來接受來自客戶端的連接，`accept()`會等待并返回一個客戶端的連接: ``` while True: # 接受一個新連接: sock, addr = s.accept() # 創建新線程來處理TCP連接: t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr)) t.start() ``` 每個連接都必須創建新線程（或進程）來處理，否則，單線程在處理連接的過程中，無法接受其他客戶端的連接： ``` def tcplink(sock, addr): print('Accept new connection from %s:%s...' % addr) sock.send(b'Welcome!') while True: data = sock.recv(1024) time.sleep(1) if not data or data.decode('utf-8') == 'exit': break sock.send(('Hello, %s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8')) sock.close() print('Connection from %s:%s closed.' % addr) ``` 連接建立后，服務器首先發一條歡迎消息，然后等待客戶端數據，并加上`Hello`再發送給客戶端。如果客戶端發送了`exit`字符串，就直接關閉連接。 要測試這個服務器程序，我們還需要編寫一個客戶端程序： ``` s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立連接: s.connect(('127.0.0.1', 9999)) # 接收歡迎消息: print(s.recv(1024).decode('utf-8')) for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']: # 發送數據: s.send(data) print(s.recv(1024).decode('utf-8')) s.send(b'exit') s.close() ``` 我們需要打開兩個命令行窗口，一個運行服務器程序，另一個運行客戶端程序，就可以看到效果了：  需要注意的是，客戶端程序運行完畢就退出了，而服務器程序會永遠運行下去，必須按Ctrl+C退出程序。 ## 小結 用TCP協議進行Socket編程在Python中十分簡單，對于客戶端，要主動連接服務器的IP和指定端口，對于服務器，要首先監聽指定端口，然后，對每一個新的連接，創建一個線程或進程來處理。通常，服務器程序會無限運行下去。 同一個端口，被一個Socket綁定了以后，就不能被別的Socket綁定了。 ## 參考源碼 [do_tcp.py](https://github.com/michaelliao/learn-python3/blob/master/samples/socket/do_tcp.py)