Python 快速教程(网络01):原始Python服务器

之前我的Python教程中有人留言,表示只学Python没有用,必须学会一个框架(比如Django和web.py)才能找到工作。而我的想法是,掌握一个类似于框架的高级工具是有用的,但是基础的东西可以让你永远不被淘汰。不要被工具限制了自己的发展。今天,我在这里想要展示的,就是不使用框架,甚至不使用Python标准库中的高级包,只使用标准库中的socket接口(我不是很明白套接字这个翻译,所以使用socket的英文名字),写一个Python服务器。

 

在当今Python服务器框架 (framework, 比如Django, Twisted, web.py等等) 横行的时代,从底层的socket开始写服务器似乎是一个出力不讨好的笨方法。框架的意义在于掩盖底层的细节,提供一套对于开发人员更加友好的API,并处理诸如MVC的布局问题。框架允许我们快速的构建一个成型而且成熟的Python服务器。然而,框架本身也是依赖于底层(比如socket)。对于底层socket的了解,不仅可以帮助我们更好的使用框架,更可以让我们明白框架是如何设计的。更进一步,如果拥有良好的底层socket编程知识和其他系统编程知识,你完全可以设计并开发一款自己的框架。如果你可以从底层socket开始,实现一个完整的Python服务器,支持用户层的协议,并处理好诸如MVC(Model-View-Control)、多线程(threading)等问题,并整理出一套清晰的函数或者类,作为接口(API)呈现给用户,你就相当于设计了一个框架。

socket接口是实际上是操作系统提供系统调用。socket的使用并不局限于Python语言,你可以用C或者JAVA来写出同样的socket服务器,而所有语言使用socket的方式都类似(Apache就是使用C实现的服务器)。而你不能跨语言的使用框架。框架的好处在于帮你处理了一些细节,从而实现快速开发,但同时受到Python本身性能的限制。我们已经看到,许多成功的网站都是利用动态语言(比如Python, Ruby或者PHP,比如twitter和facebook)快速开发,在网站成功之后,将代码转换成诸如C和JAVA这样一些效率比较高的语言,从而让服务器能更有效率的面对每天亿万次的请求。在这样一些时间,底层的重要性,就远远超过了框架。

 

下面的一篇文章虽然是在谈JAVA,但我觉得也适用于Python的框架之争。

http://yakovfain.com/2012/10/11/the-degradation-of-java-developers/

 

TCP/IP和socket

我们需要对网络传输,特别是TCP/IP协议socket有一定的了解。socket是进程间通信的一种方法 (参考Linux进程间通信),它是基于网络传输协议的上层接口。socket有许多种类型,比如基于TCP协议或者UDP协议(两种网络传输协议)。其中又以TCP socket最为常用。TCP socket与双向管道(duplex PIPE)有些类似,一个进程向socket的一端写入或读取文本流,而另一个进程可以从socket的另一端读取或写入,比较特别是,这两个建立socket通信的进程可以分别属于两台不同的计算机。所谓的TCP协议,就是规定了一些通信的守则,以便在网络环境下能够有效实现上述进程间通信过程。双向管道(duplex PIPE)存活于同一台电脑中,所以不必区分两个进程的所在计算机的地址,而socket必须包含有地址信息,以便实现网络通信。一个socket包含四个地址信息: 两台计算机的IP地址和两个进程所使用的端口(port)。IP地址用于定位计算机,而port用于定位进程 (一台计算机上可以有多个进程分别使用不同的端口)。

一个TCP socket连接的网络

TCP socket

在互联网上,我们可以让某台计算机作为服务器。服务器开放自己的端口,被动等待其他计算机连接。当其他计算机作为客户主动使用socket连接到服务器的时候,服务器就开始为客户提供服务。

 

在Python中,我们使用标准库中的socket包来进行底层的socket编程。

首先是服务器端,我们使用bind()方法来赋予socket以固定的地址和端口,并使用listen()方法来被动的监听该端口。当有客户尝试用connect()方法连接的时候,服务器使用accept()接受连接,从而建立一个连接的socket:

 

socket.socket()创建一个socket对象,并说明socket使用的是IPv4(AF_INET,IP version 4)和TCP协议(SOCK_STREAM)。

 

然后用另一台电脑作为客户,我们主动使用connect()方法来搜索服务器端的IP地址(在Linux中,你可以用$ifconfig来查询自己的IP地址)和端口,以便客户可以找到服务器,并建立连接:

 

在上面的例子中,我们对socket的两端都可以调用recv()方法来接收信息,调用sendall()方法来发送信息。这样,我们就可以在分处于两台计算机的两个进程间进行通信了。当通信结束的时候,我们使用close()方法来关闭socket连接。

(如果没有两台计算机做实验,也可以将客户端IP想要connect的IP改为“127.0.0.1”这是个特殊的IP地址,用来连接当地主机。)

 

基于TCP socket的HTTP服务器

上面的例子中,我们已经可以使用TCP socket来为两台远程计算机建立连接。然而,socket传输自由度太高,从而带来很多安全和兼容的问题。我们往往利用一些应用层的协议(比如HTTP协议)来规定socket使用规则,以及所传输信息的格式

 

HTTP协议利用请求回应(request-response)的方式来使用TCP socket。客户端向服务器发一段文本作为request,服务器端在接收到request之后,向客户端发送一段文本作为response。在完成了这样一次request-response交易之后,TCP socket被废弃。下次的request将建立新的socket。request和response本质上说是两个文本,只是HTTP协议对这两个文本都有一定的格式要求。

request-response cycle

 

现在,我们写出一个HTTP服务器端:

 

深入HTTP服务器程序

如我们上面所看到的,服务器会根据request向客户传输的两条信息text_contentpic_content中的一条,作为response文本。整个response分为起始行(start line), 头信息(head)和主体(body)三部分。起始行就是第一行:

它实际上又由空格分为三个片段,HTTP/1.x表示所使用的HTTP版本,200表示状态(status code),200是HTTP协议规定的,表示服务器正常接收并处理请求,OK是供人来阅读的status code。

 

头信息跟随起始行,它和主体之间有一个空行。这里的text_content或者pic_content都只有一行的头信息,text_content用来表示主体信息的类型为html文本:

而pic_content的头信息(Content-Type: image/jpg)说明主体的类型为jpg图片(image/jpg)。

 

主体信息为html或者jpg文件的内容。

(注意,对于jpg文件,我们使用’rb’模式打开,是为了与windows兼容。因为在windows下,jpg被认为是二进制(binary)文件,在UNIX系统下,则不需要区分文本文件和二进制文件。)

 

我们并没有写客户端程序,后面我们会用浏览器作为客户端。request由客户端程序发给服务器。尽管request也可以像response那样分为三部分,request的格式与response的格式并不相同。request由客户发送给服务器,比如下面是一个request:

 

起始行可以分为三部分,第一部分为请求方法(request method),第二部分是URL,第三部分为HTTP版本。request method可以有GET, PUT, POST, DELETE, HEAD。最常用的为GET和POST。GET是请求服务器发送资源给客户,POST是请求服务器接收客户送来的数据。当我们打开一个网页时,我们通常是使用GET方法;当我们填写表格并提交时,我们通常使用POST方法。第二部分为URL,它通常指向一个资源(服务器上的资源或者其它地方的资源)。像现在这样,就是指向当前服务器的当前目录的test.jpg。

按照HTTP协议的规定,服务器需要根据请求执行一定的操作。正如我们在服务器程序中看到的,我们的Python程序先检查了request的方法,随后根据URL的不同,来生成不同的response(text_content或者pic_content)。随后,这个response被发送回给客户端。

 

使用浏览器实验

为了配合上面的服务器程序,我已经在放置Python程序的文件夹里,保存了一个test.jpg图片文件。我们在终端运行上面的Python程序,作为服务器端,再打开一个浏览器作为客户端。(如果有时间,你也完全可以用Python写一个客户端。原理与上面的TCP socket的客户端程序相类似。)

在浏览器的地址栏输入:

(当然,你也可以用令一台电脑,并输入服务器的IP地址。) 我得到下面的结果:

OK,我已经有了一个用Python实现的,并从socket写起的服务器了。

从终端,我们可以看到,浏览器实际上发出了两个请求。第一个请求为 (关键信息在起始行,这一个请求的主体为空):

 

我们的Python程序根据这个请求,发送给服务器text_content的内容。

 

浏览器接收到text_content之后,发现正文的html文本中有<IMG src=”text.jpg” />,知道需要获得text.jpg文件来补充为图片,立即发出了第二个请求:

 

我们的Python程序分析过起始行之后,发现/test.jpg符合if条件,所以将pic_content发送给客户。

最后,浏览器根据html语言的语法,将html文本和图画以适当的方式显示出来。(html可参考http://www.w3schools.com/html/default.asp)

 

探索的方向

1) 在我们上面的服务器程序中,我们用while循环来让服务器一直工作下去。实际上,我们还可以根据我之前介绍的多线程的知识,将while循环中的内容改为多进程或者多线程工作。(参考Python多线程与同步Python多进程初步Python多进程探索)

2) 我们的服务器程序还不完善,我们还可以让我们的Python程序调用Python的其他功能,以实现更复杂的功能。比如说制作一个时间服务器,让服务器向客户返回日期和时间。你还可以使用Python自带的数据库,来实现一个完整的LAMP服务器。

3) socket包是比较底层的包。Python标准库中还有高层的包,比如SocketServer,SimpleHTTPServer,CGIHTTPServer,cgi。这些都包都是在帮助我们更容易的使用socket。如果你已经了解了socket,那么这些包就很容易明白了。利用这些高层的包,你可以写一个相当成熟的服务器。

4) 在经历了所有的辛苦和麻烦之后,你可能发现,框架是那么的方便,所以决定去使用框架。或者,你已经有了参与到框架开发的热情。

 

更多内容

TCP/IP和port参考: TCP/IP illustrated http://book.douban.com/subject/1741925/

socket参考: UNIX Network Programming http://book.douban.com/subject/1756533/

Python socket 官方文档 http://docs.python.org/2/library/socket.html

HTTP参考: HTTP, the definitive guide http://book.douban.com/subject/1440226/

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