Сетевые приложения на Python

Работа с сокетами

Применяемая в IP-сетях архитектура клиент-сервер использует IP-пакеты для коммуникации между клиентом и сервером. Клиент отправляет запрос серверу, на который тот отвечает. В случае с TCP/IP между клиентом и сервером устанавливается соединение (обычно с двусторонней передачей данных), а в случае с UDP/IP - клиент и сервер обмениваются пакетами (дейтаграммамми) с негарантированной доставкой.

Каждый сетевой интерфейс IP-сети имеет уникальный в этой сети адрес ( IP-адрес ). Упрощенно можно считать, что каждый компьютер в сети Интернет имеет собственный IP-адрес. При этом в рамках одного сетевого интерфейса может быть несколько сетевых портов. Для установления сетевого соединения приложение клиента должно выбрать свободный порт и установить соединение с серверным приложением, которое слушает (listen) порт с определенным номером на удаленном сетевом интерфейсе. Пара IP-адрес и порт характеризуют сокет (гнездо) - начальную (конечную) точку сетевой коммуникации. Для создания соединения TCP/IP необходимо два сокета: один на локальной машине, а другой - на удаленной. Таким образом, каждое сетевое соединение имеет IP-адрес и порт на локальной машине, а также IP-адрес и порт на удаленной машине.

Модуль socket обеспечивает возможность работать с сокетами из Python. Сокеты используют транспортный уровень согласно семиуровневой модели OSI (Open Systems Interconnection, взаимодействие открытых систем), то есть относятся к более низкому уровню, чем большинство описываемых в этом разделе протоколов.

Уровни модели OSI:

Физический

Поток битов, передаваемых по физической линии. Определяет параметры физической линии.

Канальный (Ethernet, PPP, ATM и т.п.)

Кодирует и декодирует данные в виде потока битов, справляясь с ошибками, возникающими на физическом уровне в пределах физически единой сети.

Сетевой (IP)

Маршрутизирует информационные пакеты от узла к узлу.

Транспортный (TCP, UDP и т.п.)

Обеспечивает прозрачную передачу данных между двумя точками соединения.

Сеансовый

Управляет сеансом соединения между участниками сети. Начинает, координирует и завершает соединения.

Представления

Обеспечивает независимость данных от формы их представления путем преобразования форматов. На этом уровне может выполняться прозрачное (с точки зрения вышележащего уровня) шифрование и дешифрование данных.

Приложений (HTTP, FTP, SMTP, NNTP, POP3, IMAP и т.д.)

Поддерживает конкретные сетевые приложения. Протокол зависит от типа сервиса.

Каждый сокет относится к одному из коммуникационных доменов. Модуль socket поддерживает домены UNIX и Internet. Каждый домен подразумевает свое семейство протоколов и адресацию. Данное изложение будет затрагивать только домен Internet, а именно протоколы TCP/IP и UDP/IP, поэтому для указания коммуникационного домена при создании сокета будет указываться константа socket.AF_INET.

В качестве примера следует рассмотреть простейшую клиент-серверную пару. Сервер будет принимать строку и отвечать клиенту. Сетевое устройство иногда называют хостом (host), поэтому будет употребляться этот термин по отношению к компьютеру, на котором работает сетевое приложение.

Сервер:

import socket, string

def do_something(x):
  lst = map(None, x);
  lst.reverse();
  return string.join(lst, "")

HOST = ""                 # localhost
PORT = 33333
srv = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
srv.bind((HOST, PORT))
while 1:
  print "Слушаю порт 33333"
  srv.listen(1)             
  sock, addr = srv.accept()
  while 1:
    pal = sock.recv(1024)
    if not pal: 
      break
    print "Получено от %s:%s:" % addr, pal
    lap = do_something(pal)
    print "Отправлено %s:%s:" % addr, lap
    sock.send(lap)
  sock.close()

Клиент:

import socket

HOST = ""                 # удаленный компьютер (localhost)
PORT = 33333              # порт на удаленном компьютере
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect((HOST, PORT))
sock.send("ПАЛИНДРОМ")
result = sock.recv(1024)
sock.close()
print "Получено:", result

Прежде всего, нужно запустить сервер. Сервер открывает сокет на локальной машине на порту 33333, и адресе 127.0.0.1. После этого он слушает ( listen() ) порт. Когда на порту появляются данные, принимается ( accept() ) входящее соединение. Метод accept() возвращает пару - Socket-объект и адрес удаленного компьютера, устанавливающего соединение (пара - IP-адрес, порт на удаленной машине). После этого можно применять методы recv() и send() для общения с клиентом. В recv() задается число байтов в очередной порции. От клиента может прийти и меньшее количество данных.

Код программы-клиента достаточно очевиден. Метод connect() устанавливает соединение с удаленным хостом (в приведенном примере он расположен на той же машине). Данные передаются методом send() и принимаются методом recv() - аналогично тому, что происходит на сервере.

Модуль socket имеет несколько вспомогательных функций. В частности, функции для работы с системой доменных имен ( DNS ):

>>> import socket
>>> socket.gethostbyname('www.onego.ru')
('www.onego.ru', [], ['195.161.136.4'])
>>> socket.gethostbyaddr('195.161.136.4')
('www.onego.ru', [], ['195.161.136.4'])
>>> socket.gethostname()
'rnd.onego.ru'

В новых версиях Python появилась такая функция как socket.getservbyname(). Она позволяет преобразовывать наименования Интернет-сервисов в общепринятые номера портов:

>>> for srv in 'http', 'ftp', 'imap', 'pop3', 'smtp':
...   print socket.getservbyname(srv, 'tcp'), srv
...
80 http
21 ftp
143 imap
110 pop3
25 smtp

Модуль также содержит большое количество констант для указания протоколов, типов сокетов, коммуникационных доменов и т.п. Другие функции модуля socket можно при необходимости изучить по документации.