如何用Python實現TCP的連接與通信？
網絡連接與通信是我們學習任何編程語言都繞不過的知識點。Python 也不例外，下面就介紹因特網的核心協議 TCP ，以及如何用 Python 實現 TCP 的連接與通信。
TCP 協議
TCP協議(Transmission Control Protocol， 傳輸控制協議)是一種面向連接的傳輸層通信協議，它能提供高可靠性通信，像 HTTP/HTTPS 等網絡服務都采用 TCP 協議通訊。那么網絡通訊方面都會涉及到 socket 編程，當然也包括 TCP 協議。
Network Socket
我們來看看定義：
Network Socket(網絡套接字)是計算機網絡中進程間通信的數據流端點，廣義上也代表操作系統提供的一種進程間通信機制。
這些計算機術語都很學術，難于理解，每個字都認識，加在一起就不認識了。我們可以通俗地理解成發快遞：A 需要給 B 寄快遞，首先需要知道 B 的地址和手機號碼，那么這個地址就相當于 網絡中的主機 IP 地址，而手機就相當于 主機的端口號。然后 A 還需要指定哪家快遞公司，是順豐還是中通?這個快遞公司就相當于通信的傳輸協議。
TCP 連接流程
上述快遞的例子中，寄快遞的我們可以叫做客戶端，收快遞的我們叫做服務器。專業點就是主動發起連接的一方叫做客戶端，被動響應的一方叫做服務器。例如，我們在瀏覽器中訪問百度搜索時，我們自己的電腦就是客戶端，瀏覽器會向百度的服務器發送連接請求，如果百度的服務器接受了我們的請求，那么一個 TCP 連接就建立起來了，后面就是百度向我們傳輸搜索結果了。
我們來看一個流程圖：
TCP服務器的建立可以歸納這幾步：
- 創建 socket(套接字)
- 綁定 socket 的 IP 地址和端口號
- 監聽客戶端的連接請求
- 接受客戶端的連接請求
- 與客戶端對話
- 關閉連接
TCP客戶端的創建可總結為這幾步：
- 創建 socket(套接字)
- 連接服務器 socket
- 與服務器對話
- 關閉連接
這里需要注意的是 TCP 客戶端連接到服務器的 IP 和端口號必須是 TCP 服務器的 IP 和監聽的端口號，服務器調用 listen() 開始監聽端口，然后調用 accept() 時刻準備接受客戶端的連接請求，此時服務器處于阻塞狀態，直到服務器監聽到客戶端的請求后，接收請求并建立連接為止。
TCP 客戶端
創建 socket 連接，可以這樣做：
- # 導入socket庫import socket# 創建一個sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立連接s.connect(("127.0.0.1", 6000))
創建 socket 時，第一個參數 socket.AF_INET 表示指定使用 IPv4 協議，如果要使用 IPv6 協議，就指定為 socket.AF_INET6。SOCK_STREAM 指定使用面向流的 TCP 協議。然后我們調用 connect() 方法，傳入 IP 地址(或者域名)，指定端口號就可以建立連接了。
接下來我們就可以向服務器發送數據了：
- s.send(b'Hello, Mr Right!')
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。
- #接收數據 buffer=[] whileTrue: #每次最多接收1k字節 d=s.recv(1024) ifd: buffer.append(d) else:break data=b''.join(buffer)
最后，我們需要關閉連接，很簡單：
- s.close()
TCP 服務器
相比于客戶端，服務器端稍微復雜一些，需要先綁定一個 IP 地址和端口號，然后監聽客戶端的請求，收到請求后丟到一個線程去處理。
創建 socket 跟客戶端方法一樣：
- s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
接下來需要綁定監聽地址和端口：
- s.bind(('127.0.0.1', 6000))
然后就可以開始監聽端口了，監聽時需要傳入一個參數，指定等待連接的最大數量：
- s.listen(5)
接下來就是無限循環等待客戶端的連接，直到有連接請求過來，就用一個線程去處理：
- whileTrue: #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()
這里為什么需要多線程處理呢?想象一下菜鳥驛站，如果里面只有一個人的話，那么多個人寄件就需要排隊，一個個來;但是如果有多個人的話，那么每個人都可以處理一個寄件請求。
我們來看一下處理客戶端請求的方法：
- # 處理tcp連接def tcplink(conn, addr): print("Accept new connection from %s:%s" % addr) # 向客戶端發送歡迎消息 conn.send(b"Server: Welcome!\n") while True: conn.send(b"Server: What's your name?") data = conn.recv(1024) # 如果客戶端發送 exit 過來請求退出，結束循環 if data == b"exit": conn.send(b"Server: Good bye!\n") break conn.send(b"Server: Hello %s!\n" % data) # 關閉連接 conn.close() print("Connection from %s:%s is closed" % addr)
例子中，我們先想客戶端發送歡迎消息，然后詢問客戶端名稱，收到名稱后發送歡迎消息，直到接收到客戶端的 'exit' 命令，退出循環，關閉連接。
實例
我們把上面的分步講解代碼合并起來，形成一個可運行的實例。
服務器端代碼：
- import socketimport threadingimport time# 處理tcp連接def tcplink(conn, addr): print("Accept new connection from %s:%s" % addr) # 向客戶端發送歡迎消息 conn.send(b"Server: Welcome!\n") while True: conn.send(b"Server: What's your name?") data = conn.recv(1024) # 如果客戶端發送 exit 過來請求退出，結束循環 if data == b"exit": conn.send(b"Server: Good bye!\n") break conn.send(b"Server: Hello %s!\n" % data) time.sleep(5) # 關閉連接 conn.close() print("Connection from %s:%s is closed" % addr)# 創建 sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 監聽端口s.bind(("127.0.0.1", 6000))# 設定等待連接的最大數量為5s.listen(5)print("Waiting for connection...")# 等待接收連接while True: # 接受一個新連接 conn, addr = s.accept() # 創建新線程來處理TCP連接 t = threading.Thread(target=tcplink, args=(conn, addr)) t.start()
客戶端代碼：
- import socketimport time# 創建 sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 建立連接s.connect(("127.0.0.1", 6000))# 接收服務器消息print(s.recv(1024).decode())for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']: # 發送數據 s.send(data) time.sleep(2) # 打印接收到的數據 print(s.recv(1024).decode('utf-8')) time.sleep(1)time.sleep(3)# 請求退出s.send(b'exit')time.sleep(2)print(s.recv(1024).decode('utf-8'))# 關閉連接s.close()
注意，在代碼中，我加入了一些休眠(sleep)操作，主要是為了控制臺能夠順利打印出來，不然程序運行太快，打印順序和內容有可能和預期不一樣。
先運行服務器端代碼，然后再運行客戶端代碼，我們可以看到服務器端控制臺打印內容如下：
- #服務器端打印消息 Waitingforconnection... Acceptnewconnectionfrom127.0.0.1:53503 Connectionfrom127.0.0.1:53503isclosed
客戶端控制臺打印內容如下：
- #客戶端打印消息 Server:Welcome!Server:What'syourname? Server:HelloMichael! Server:What'syourname? Server:HelloTracy! Server:What'syourname? Server:HelloSarah! Server:What'syourname? Server:Goodbye!
大家可以對照著打印內容和代碼，體會一下服務器端和客戶端通信的原理。
總結
本文為大家介紹了 TCP 編程的基本原理和如何使用 Python 實現一個最簡單的 TCP 通信過程。通過介紹和實例，大家要在腦海中形成一個 TCP 通信的過程，熟悉了這個過程是處理后續復雜通信需求的基礎。
