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Python实现网络通信：Socket模块与TCP/IP协议全解析

news 来源：原创 2025/8/23 7:40:24

Langchain系列文章目录

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python系列文章目录

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07-Python 模块与包：从零到自定义的全面指南
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11-Python类的方法与属性：从入门到进阶的全面解析
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19-Python 性能优化：从入门到精通的实用指南
20-Python内存管理与垃圾回收全解析
21-Python 代码调试与测试：从 pdb 到 TDD 的全面指南
22-Python 代码风格终极指南：从 PEP 8 到最佳实践全解析
23-Python实现网络通信：Socket模块与TCP/IP协议全解析

文章目录

Langchain系列文章目录
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前言
一、TCP/IP协议概述
- 1.1 什么是TCP/IP协议
- 1.2 TCP/IP协议的分层结构
- - 1.2.1 应用层
  - 1.2.2 传输层
  - 1.2.3 网络层
  - 1.2.4 链路层
二、使用`socket`模块实现网络通信
- 2.1 什么是`socket`
- 2.2 创建`socket`对象
- 2.3 `socket`的基本方法
- - 2.3.1 绑定地址和端口
  - 2.3.2 监听连接
  - 2.3.3 接受连接
  - 2.3.4 发送和接收数据
三、客户端与服务器端程序
- 3.1 服务器端程序
- - 3.1.1 创建服务器`socket`
  - 3.1.2 绑定地址和端口
  - 3.1.3 监听连接
  - 3.1.4 接受客户端连接
  - 3.1.5 处理客户端请求
- 3.2 客户端程序
- - 3.2.1 创建客户端`socket`
  - 3.2.2 连接服务器
  - 3.2.3 发送数据
  - 3.2.4 接收数据
四、总结

前言

在互联网时代，网络编程是每个开发者都值得掌握的核心技能之一。从网页浏览到即时聊天，再到物联网设备之间的通信，网络编程无处不在。作为Python学习旅程的第23天，我们将迈入网络编程的世界，探索其基础知识。本文将从TCP/IP协议的基本概念讲起，逐步深入到使用Python的socket模块实现网络通信，并通过实际代码带你编写客户端和服务器端程序。

无论你是初学者还是有一定经验的开发者，这篇文章都将为你提供清晰的知识框架和实用的代码示例。让我们一起开启这场网络编程的探索之旅吧！

一、TCP/IP协议概述

网络编程的核心在于理解通信协议，而TCP/IP协议是互联网的基石。本节将带你了解它的基本概念和分层结构，帮助你建立网络通信的整体认知。

1.1 什么是TCP/IP协议

TCP/IP协议全称“传输控制协议/网际协议”，是一组用于实现网络通信的协议集合。它定义了设备如何连接到网络，以及数据如何在设备间传输。简单来说，TCP/IP就像网络世界的“交通规则”，确保数据能够准确、高效地到达目的地。

TCP（传输控制协议）：负责数据的可靠传输，保证数据按顺序到达且不丢失。
IP（网际协议）：负责数据的寻址和路由，决定数据从哪里发到哪里。

1.2 TCP/IP协议的分层结构

TCP/IP协议采用四层模型，每一层都有明确的功能。通过分层设计，网络通信变得模块化且易于理解。

1.2.1 应用层

应用层是用户直接接触的部分，负责处理应用程序的通信需求。例如：

HTTP：浏览网页时使用。
FTP：传输文件时使用。
SMTP：发送邮件时使用。

1.2.2 传输层

传输层确保数据的端到端传输，提供可靠性或高效性两种选择：

TCP：面向连接，保证数据完整，适用于需要高可靠性的场景（如文件下载）。
UDP：无连接，速度快但不保证数据到达，适用于实时性要求高的场景（如视频直播）。

1.2.3 网络层

网络层负责数据的路由和转发，核心协议是IP。它为每台设备分配一个IP地址，并决定数据包的传输路径。

1.2.4 链路层

链路层是最底层，负责将数据封装成帧并通过物理网络（如以太网或Wi-Fi）传输。它处理硬件相关的工作，如MAC地址。

通过这四层的协作，TCP/IP协议让网络通信变得井然有序。如下图展示了其分层结构：

二、使用`socket`模块实现网络通信

Python提供了强大的socket模块，让我们能够轻松实现网络通信。本节将从socket的基本概念入手，逐步讲解它的用法。

2.1 什么是`socket`

socket（套接字）是网络通信的桥梁，可以看作是应用程序与网络之间的“插座”。通过socket，程序可以发送和接收数据，实现设备间的通信。

应用场景：聊天软件、文件传输工具、Web服务器等都离不开socket。
类型：常见的有TCP socket（可靠传输）和UDP socket（快速传输）。

2.2 创建`socket`对象

在Python中，使用socket模块的socket()函数创建socket对象。需要指定地址族和套接字类型：

import socket# 创建TCP socket (AF_INET表示IPv4，SOCK_STREAM表示TCP)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

地址族：AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
类型：SOCK_STREAM用于TCP，SOCK_DGRAM用于UDP。

2.3 `socket`的基本方法

创建socket后，我们可以通过一系列方法实现通信。以下是常用的操作步骤：

2.3.1 绑定地址和端口

服务器端需要将socket绑定到特定的IP地址和端口号，以便客户端可以找到它：

# 绑定到本机IP (127.0.0.1) 和端口8080
sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

参数：一个元组，包含IP地址（字符串）和端口号（整数）。
常见问题：如果端口被占用，会抛出OSError，可以尝试换一个端口。

2.3.2 监听连接

绑定后，服务器端需要调用listen()开始监听客户端连接：

# 监听连接，5表示最大等待连接数
sock.listen(5)

2.3.3 接受连接

当客户端发起连接时，服务器使用accept()接受连接，返回一个新的socket对象和客户端地址：

# 接受连接
client_sock, client_addr = sock.accept()
print(f"连接来自：{client_addr}")

返回值：client_sock用于与该客户端通信，client_addr是客户端的IP和端口。

2.3.4 发送和接收数据

通信的核心是数据的发送和接收，使用send()和recv()方法：

# 发送数据 (数据需为字节类型)
client_sock.send(b"Hello, client!")# 接收数据 (1024表示最大接收字节数)
data = client_sock.recv(1024)
print(f"收到数据：{data.decode()}")

注意：发送数据前需编码（如encode()），接收后需解码（如decode()）。

三、客户端与服务器端程序

掌握了socket的基本用法后，我们通过实际代码实现一个简单的客户端-服务器通信系统。服务器端接收消息并回显，客户端发送消息并显示响应。

3.1 服务器端程序

服务器端程序负责监听连接并处理客户端请求。以下是完整实现：

3.1.1 创建服务器`socket`

import socket# 创建TCP socket
server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

3.1.2 绑定地址和端口

# 绑定到本机8080端口
server_sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

3.1.3 监听连接

# 开始监听
server_sock.listen(5)
print("服务器启动，监听端口8080...")

3.1.4 接受客户端连接

while True:# 接受连接client_sock, client_addr = server_sock.accept()print(f"客户端 {client_addr} 已连接")

3.1.5 处理客户端请求

    # 处理请求while True:data = client_sock.recv(1024)if not data:  # 客户端断开时data为空breakprint(f"收到消息：{data.decode()}")client_sock.send(data)  # 回显消息client_sock.close()

完整代码：

import socketserver_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_sock.bind(('127.0.0.1', 8080))
server_sock.listen(5)
print("服务器启动，监听端口8080...")while True:client_sock, client_addr = server_sock.accept()print(f"客户端 {client_addr} 已连接")while True:data = client_sock.recv(1024)if not data:breakprint(f"收到消息：{data.decode()}")client_sock.send(data)client_sock.close()

运行结果：启动后，服务器会等待客户端连接，并回显收到的消息。

3.2 客户端程序

客户端程序主动连接服务器，发送消息并接收响应。

3.2.1 创建客户端`socket`

import socket# 创建TCP socket
client_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

3.2.2 连接服务器

# 连接服务器
client_sock.connect(('127.0.0.1', 8080))

3.2.3 发送数据

# 发送消息
client_sock.send(b"Hello, server!")

3.2.4 接收数据

# 接收响应
data = client_sock.recv(1024)
print(f"服务器响应：{data.decode()}")
client_sock.close()