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 等網絡服務都採用 TCP 協議通訊。那麼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，難於理解，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，那麼這個地址就相當於 網絡中的主機 IP 地址，而手機就相當於 主機的端口號。然後 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於通信的傳輸協議。

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，那麼一個 TCP 連接就建立起來了，後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

這裡需要注意的是 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，然後調用 accept() 時刻準備接受客戶端的連接請求，此時服務器處於阻塞狀態，直到服務器監聽到客戶端的請求後，接收請求並建立連接為止。

TCP 客戶端

創建 socket 連接，可以這樣做：

<code># 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))/<code>

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。然後我們調用 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 循環中反覆接收，直到 recv() 返回空數據，表示接收完畢，退出循環。

<code>#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)/<code>

最後，我們需要關閉連接，很簡單：

s.close()

TCP 服務器

相比於客戶端，服務器端稍微複雜一些，需要先綁定一個 IP 地址和端口號，然後監聽客戶端的請求，收到請求後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))

然後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：

<code>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()/<code>

這裡為什麼需要多線程處理呢？想象一下菜鳥驛站，如果裡面只有一個人的話，那麼多個人寄件就需要排隊，一個個來；但是如果有多個人的話，那麼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：

<code># 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)/<code>

例子中，我們先想客戶端發送歡迎消息，然後詢問客戶端名稱，收到名稱後發送歡迎消息，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併起來，形成一個可運行的實例。

服務器端代碼：

<code>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()/<code>

客戶端代碼：

<code>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()/<code>

注意，在代碼中，我加入了一些休眠（sleep）操作，主要是為了控制檯能夠順利打印出來，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，然後再運行客戶端代碼，我們可以看到服務器端控制檯打印內容如下：

<code>#服務器端打印消息 Waitingforconnection... Acceptnewconnectionfrom127.0.0.1:53503 Connectionfrom127.0.0.1:53503isclosed/<code>

客戶端控制檯打印內容如下：

<code>#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!/<code>

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後續複雜通信需求的基礎。更多python學習資料，可以關注“武漢千鋒”微信公眾號！

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