python入门系列十六（网络编程）

1.引言

单纯说到网络编程，你会想到什么呢？是我们日常业务应用web开发吗？算。但严格意义上不是，web开发相对应于http协议，属于应用层的开发。我们说到网络编程的时候，通常意义是指针对于网络层和传输层协议的应用开发，即socket编程。

2.网络模型与协议

2.1.OSI七层模型

OSI（Open System Interconnect）开放式系统互联，是国际标准化组织ISO研究的网络互联模型，从整个框架上来看，有七层：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。

七层可以再从两个维度来看，分别是：

媒介层：第一层，到第三层。即（物理层，数据链路层，网络层）。与硬件相关，比如路由，交换，电缆规格
主机层：第四层，到第七层。即（传输层，会话层，表示层，应用层）。它们表达实现网络服务的相关软件

详细信息，我们看一个图：

按理说，OSI定义了标准模型，但是很遗憾，它却没有成为工业上的事实标准，理由如下：

OSI专家缺乏实际经验，缺少商业驱动，它是理论的产物
OSI协议过于复杂，运行效率低下
标准制定周期长，市场被其它标准优先占据，失去了市场机会
层次划分不合理，部分功能在多个层中出现

综合以上因素，你应该想到了工业上的事实标准是谁！

2.2.TCP四层模型

TCP/IP四层模型，它综合OSI七层模型做了精简合并优化。

应用层：最高层，通过应用进程间通信来实现网络应用。主要负责把应用程序中的用户数据传达到另外一台主机、或者同一主机中的其它应用程序，常用应用层协议有SMTP、POP3、SSH、FTP、HTTP等
传输层：负责在两个主机进程间的通信提供通用数据传输服务，常用的传输层协议有TCP、UDP
网络层：负责为分组交换网上的主机提供通信服务，常用的网络层协议有IP、ICMP
链路层：数据链路层：通常包括操作系统中设备驱动程序和计算机对应的网络接口卡，常用的链路层协议有ARP、RARP

用图来表达，是这样：

2.3.分层模型工作示例

在实际的应用中，各层各司其职，我们以FTP客户端通信流程为例，说明两台主机是如何工作在TCP/IP分层模型上的：

3.网络编程模型

网络编程socket是操作系统提供的编程接口，抽象简化在网络编程应用中方便与底层硬件和协议交互。

3.1.基于TCP的socket编程模型

3.2.基于UDP的socket编程模型

4.实践案例

以基于TCP网络通信应用为示例。

4.1.服务端

python 复制代码

import socket
import threading

# 1.创建socket服务端对象
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2.绑定服务端地址和端口
server.bind(('0.0.0.0',5000))

# 3.监听
server.listen()
print("服务端启动成功，监听端口：5000")

# 4.定义socket客户端连接处理函数，支持多客户端连接
def handle_client(sock,address):
    while True:
        # recv方法会阻塞
        data = sock.recv(1024)
        message = data.decode("utf8")
        print("【来自客户端%s的消息】：%s" % (address, message))
        if message=="bye":
            sock.send("bye".encode("utf8"))
            break
        # 从console输入信息，发送给客户端
        input_data = input("请输入要发送给客户端的信息：")
        sock.send(input_data.encode("utf8"))

# 5.循环接收客户端连接
while True:
    # 阻塞等待连接
    sock,address = server.accept()
    # 每个客户端连接，都创建一个线程，由线程去处理
    threading.Thread(target=handle_client,args=(sock,address)).start()

启动服务端：

4.2.客户端

python 复制代码

import socket

# 1.创建socket客户端对象
client = socket.socket()

# 2.连接服务端
client.connect(('127.0.0.1',5000))
print("客户端连接成功!")

# 3.循环处理消息发送接收
while True:
    # 从console输入信息，发送给服务端
    input_data = input("请输入要发送给服务端的信息：")
    client.send(input_data.encode("utf8"))
    # recv方法会阻塞
    data = client.recv(1024)
    message = data.decode("utf8")
    print("【来自服务端的消息】：%s" % message)
    if message == "bye":
        print("客户端退出！")
        break

# 4.关闭连接
client.close()

启动客户端，向服务端发送数据：

服务端响应：

4.3.自定义web服务器

web编程主要是http/https协议，而http协议的底层其实是TCP和UDP协议。所以我们基于网络socket接口，可以定义自己的web服务器。比如像我这样简单模拟以下：

python 复制代码

import socket
import threading

# 1.创建socket服务端对象
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2.绑定服务端地址和端口
server.bind(('0.0.0.0',8080))

# 3.监听
server.listen()
print("web服务启动成功，监听端口：8080")

# 4.定义socket客户端连接处理函数，支持多客户端连接
response_template = '''HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html; charset=utf-8

<html>
  <head>
    <title>web server</title>
  </head>
  <body>
    你好！通过socket实现http web服务。
  </body>
</html>

'''
def handle_client(sock,address):
    while True:
        # recv方法会阻塞
        data = sock.recv(1024)
        message = data.decode("utf8")
        request_line = message.splitlines()
        if request_line:
            request_head = request_line[0].split();
            method = request_head[0]
            path = request_head[1]
            print("请求方法：%s, 请求路径：%s" % (method, path))
            sock.send(response_template.encode("utf8"))

        # 释放资源
        sock.close()
        break

# 5.循环接收客户端连接
while True:
    # 阻塞等待连接
    sock,address = server.accept()
    # 每个客户端连接，都创建一个线程，由线程去处理
    threading.Thread(target=handle_client,args=(sock,address)).start()

启动web应用：

浏览器访问：http://127.0.0.1:8080

server控制台：

你看这样我们就等于自己定义了一个web服务器，本质上我们只要遵循http协议标准，通过socket接口很容易开发web服务器应用。核心代码片段：