Сокеты в Python. Что вообще такое сокет?

В сетевом программировании всё просто — клиент отправляет запрос, сервер его получает. Для реализации такого клиент-серверного взаимодействия используется, в том числе, Python, который имеет на борту средства для взаимодействия между вычислительными устройствами, объединенными в сеть. Самую главную роль в этом играет как раз сокет.

Сокет — это программные объекты (интерфейсы), определяющие конечную точку соединения. Сокет — это некий абстрактный файл, через который обеспечивает сетевую связность программное приложение. Программа с помощью сокета может установить входящие и исходящие соединения, а также принимать данные. Сокет работает на уровне операционной системы и имеет два параметра: порт и IP-адрес

Непонятно? Попробуем проще. Вы зашли в МакДональдс. Есть свободные кассы (порты), а есть кассы с кассирами — тоже порты, но за ними висит какое-либо приложение (это приложение постоянно прослушивает порт — нет ли новых «клиентов»).

Если вы попробуете обратиться к конкретному кассиру (приложению), то он установит с вами соединение через сокет именно своего порта. Вас же обслуживают на той кассе, к которой вы подошли, верно?

Протоколы

Протокол — это арбитр, который определяет правила обмена данными между сервером и клиентом — упаковка, передача, распаковка и так далее. В рамках знакомства с сокетом в Python мы будем ориентироваться на протокол TCP (Transmission Control Protocol).

Он определяет правила выполнения большинства сетевых задач: подключения к базам данных, обеспечения сетевого взаимодействия, работы с веб-сервисами. Протокол UDP не требует подтверждения от принимающей стороны и вообще не гарантирует стабильную передачу, в то время как пакеты по TCP будут гарантировано доставляться и соблюдать очередность.

Если клиент хочет соединиться с сервером, то он отправляет свои данные через «окно» (оно же — сокет). Эти данные летят в протокол TCP, запущенный у клиента. Данные проходят через буфер и отправляются в сторону сервера, где, в свою очередь, данные также попадают через буфер в сокет.

Сокеты в питоне

В Python для работы с сокетами применяется модуль socket, в котором реализованы функции, отвечающие за создание нового сокета, установление и закрытие соединения, отправку данных по сети и их получение.

Процедура установки соединения через TCP будет выглядеть так:

Какие будут использованы функции?

Общие для клиента и сервера: 

• socket() — создать сокет (функция возвращает объект сокета, методы которого реализуют различные системные вызовы сокетов)
• send() — передать данные
• recv() — получить данные
• close() — закрыть соединение

Клиентские:

• connect() — установить соединение

Серверные:

• bind() — привязать сокет к IP-адресу и порту машины
• listen() — просигнализировать о готовности принимать соединения
• accept() — принять запрос на установку соединения

Пример использования сокета

Представим простую ситуацию, клиент хочет получить от сервера текущую дату и время. Что нам нужно? Нужно настроить соединение посредством протокола TCP. Через сокет, конечно же.

Серверный код:

from socket import *
import time

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
s.bind(('', 7777))
s.listen(5)

while True:
    client, addr = s.accept()
    print(client)
    print("Получен запрос на соединение от %s" % str(addr))
    timestr = time.ctime(time.time()) + "\n"
    client.send(timestr.encode('utf-8'))
    client.close()

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) — запускаем функцию socket() с двумя параметрами — communication domain и type of socket. В качестве коммуникационного домена, как правило, передается значение AF_INET — оно указывает, что создаваемый сокет будет сетевым. Тип сокета мы указали SOCK_STREAM, как понятно из названия — сокет у нас будет потоковый, то есть реализующий последовательный, надежный двусторонний поток байтов по протоколу TCP.

s.bind((», 7777)) — присваиваем сокету 7777 порт

s.listen(5) — режим ожидания. Одновременно можем работать с 5 запросами. Слушающий процесс обычно находится в цикле ожидания, то есть просыпается при появлении нового соединения

timestr.encode(‘utf-8’) — в сетевых протоколах обмен данными должен выполняться в байтовом формате. Поэтому надо кодировать строки, передаваемые через сеть. Именно по этой причине в программе сервера к отправляемым данным применяется метод encode.

Результат подключения клиента в IDEшке:

Клиентский код:

from socket import *

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
s.connect(('localhost', 7777))
tm = s.recv(1024)                
s.close()
print("Текущее время: %s" % tm.decode('utf-8'))

s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM) — создаем сокет

s.connect((‘localhost’, 7777)) — запускаем функцию коннект, где указываем сервер и порт

tm = s.recv(1024) — принимаем не более 1024 байта данных

tm.decode(‘utf-8’) — прежде чем работать с данными, их необходимо декодировать. Для этого в программе клиента к принимаемым данным применяется метод decode(‘utf-8’).

Немного про буфер

Немаловажный фактор при работе с сокетом — это размер буфера. Здесь можно разжиться проблемами на пустом месте. Маленький размер буфера будет обеспечивать скоростную передачу данных, но их объем будет слишком мал.

Большой буфер может пропустить через себя огромный поток данных, но при этом будет жрать ресурсы и работать достаточно медленно.

Для установки размера буфера используется метод socket.setsockopt(level, optname, None, optlen: int). Этот метод получает три аргумента: уровень, имя и числовая переменная (сам размер буфера непосредственно)

socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDBUF, 8192)  # Размер буфера 8192 

# или 

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDBUF, 1024)

Немного про тайм-аут

Для сокета можно задать таймаут для активности (времени прослушивания) в течение которой он ожидает отправку или получения данных — socket.settimeout(value).Тайм-аут применяется к одному вызову операции чтения/записи сокета.

Аргумент value определяется в секундах. После установленного времени сокет блокируется для операций с ним. Если задан ноль, сокет переводится в неблокирующий режим, в котором операции должны быть выполнены немедленно.

s = socket.create_connection(("kite.com", 80))
s.settimeout(0.00001)
try:
    message = "GET /text HTTP/2.0\r\n\r\n".encode()
    s.send(message)
    print(s.recv(1024))
except socket.timeout as e:
    print(e)

# здесь сработает тайм-айут на выходе