Socket套接字

Flaw2024-06-232025-05-07

Socket概览：

什么是 Socket？

Socket（套接字）是网络通信中的一种机制，可以将其类比为电话插座，负责连接通信双方。Socket 就像电话插座上的孔，端口负责连接，而创建连接就像把插头插在插座上。Socket 实例创建后会监听消息，当有消息传入时会自动接通。

实际上，Socket 是应用层和传输层之间的抽象层，它将 TCP/IP 层复杂的操作封装成简单接口，供应用层调用，从而实现进程间的网络通信。Socket 起源于 UNIX，在 UNIX 的“一切皆文件”思想下，进程间通信通过文件描述符（file descriptor）进行，Socket 就是这种“打开-读/写-关闭”模式的实现。服务器和客户端各自维护一个“文件”，通过文件读写来传输数据，通讯结束时关闭文件。

Socket 的位置

Socket 位于应用层和传输层之间。它将复杂的网络协议封装成简洁的接口，便于程序进行网络通信。

Socket 的类型

Socket 主要分为两种类型：流格式套接字（SOCK_STREAM）和数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）。

流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字也叫“面向连接的套接字”，是一种可靠、双向的通信数据流，可以确保数据准确无误地到达另一台计算机。如果数据损坏或丢失，可以重新发送。

特点：

数据不会在传输过程中丢失。
数据按照顺序传输。
数据发送和接收不同步。

可以将 SOCK_STREAM 比作一条传送带，数据按顺序传输，不会丢失。数据传输时，无需接收端和发送端同步，接收端可以根据自己的节奏读取数据。

应用场景：

浏览器使用的 HTTP 协议：基于面向连接的套接字，确保数据准确无误。

流格式套接字使用 TCP 协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 确保数据按照顺序到达且无错误。

数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）

数据报格式套接字也叫“无连接的套接字”，它传输数据时不进行数据校验。如果数据在传输中损坏或丢失，无法补救。这种套接字传输效率高，但数据传输顺序不保证，可能丢失或损坏。

特点：

强调快速传输而非传输顺序。
数据可能丢失或损毁。
每次传输的数据大小有限。
数据的发送和接收同步。

可以将 SOCK_DGRAM 比作快递，一些包裹可能丢失或损坏，但传输效率高。

应用场景：

QQ 视频聊天和语音聊天：使用 SOCK_DGRAM 来传输数据，保证通信效率，即使丢失少量数据，也不会影响整体通信质量。

数据报格式套接字使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议），它注重快速传输，而非可靠性。

Socket 通信过程

Socket 保证了不同计算机之间的通信，也就是网络通信。对于网站，通信模型是服务器与客户端之间的通信。两端都建立了一个 Socket 对象，然后通过 Socket 对象对数据进行传输。通常服务器处于一个无限循环，等待客户端的连接。

下面是面向连接的 TCP 时序图：

客户端过程

客户端的通信过程较为简单，创建 Socket 后连接服务器，然后发送数据、接收响应数据，最后关闭连接。

import socket
import sys

if __name__ == '__main__':
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 创建 Socket 连接
    sock.connect(('127.0.0.1', 8001))  # 连接服务器
    while True:
        data = input('Please input data:')
        if not data:
            break
        try:
            sock.sendall(data)
        except socket.error as e:
            print('Send Failed...', e)
            sys.exit(0)
        print('Send Successfully')

        res = sock.recv(4096)  # 获取服务器返回的数据
        print(res)
    sock.close()

sendall() 方法会尝试发送所有数据，成功时返回 None，失败时抛出异常。recv() 方法用于接收服务器返回的数据。

服务端过程

服务端先初始化 Socket，与本机地址及端口绑定，准备接收连接。调用 accept() 阻塞等待客户端连接，连接建立后，接收并处理请求，发送响应数据，最后关闭连接。

import socket
import sys

if __name__ == '__main__':
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 创建 Socket 连接（TCP）
    print('Socket Created')

    try:
        sock.bind(('127.0.0.1', 8001))  # 配置 Socket，绑定 IP 地址和端口号
    except socket.error as e:
        print('Bind Failed...', e)
        sys.exit(0)

    sock.listen(5)  # 设置最大允许连接数

    while True:
        conn, addr = sock.accept()
        try:
            conn.settimeout(10)  # 设置超时时间
            while True:
                data = conn.recv(1024)
                print('Get value ' + data.decode(), end='\n\n')
                if not data:
                    print('Exit Server', end='\n\n')
                    break
                conn.sendall(b'OK')  # 返回数据
        except socket.timeout:
            print('Time out')

        conn.close()  # 关闭连接
    sock.close()