一文带你吃透Python网络编程，小白必看！
目录
一、网络编程基础概念
二、网络编程核心知识
2.1 网络协议
2.2 IP 地址与端口号
2.3 Socket 编程
三、Python 网络编程实战
3.1 TCP 编程实例
3.2 UDP 编程实例
3.3 网络爬虫应用
四、总结与展望
一、网络编程基础概念
在深入学习Python网络编程之前，请先系统性地了解网络编程的基础概念。网络编程的本质就是在编写的程序中实现不同设备间的数据交换与通信功能。这就好比是在地理分布广泛的设备间构建了一个无形的连接平台，在此平台上它们得以实时互相通信并共享所需资源
设想一下，在浏览器窗口中键入一个地址时就会立刻出现相关信息；或者打开视频会议软件与远方的人实时沟通畅所欲言。所有这些便利的应用背后都依赖于网络编程的支持。这种机制实际上就是基于一系列明确规定的通信规范来实现不同设备间的高效互动与数据共享。
虽然作为功能强大且简洁优雅的编程语言，在网络编程领域展现出独特优势。然而，在这一领域中还存在更为全面而丰富的解决方案。像我们将重点介绍的socket库这样的第三方库，则犹如为Python网络编程提供了得力的技术支持。通过这些资源开发者不仅能够轻松地实现各种网络功能而且还能显著减少开发工作量和难度。Python凭借其简洁明了的语法不仅极大地提升了代码可读性和可维护性而且还降低了学习门槛使学习者能够迅速掌握编写高效网络程序的能力
在Web开发领域中，在构建服务器端程序、处理客户端的请求并生成相应响应的过程中运用Python进行编程可以显著提升效率与效果；而在编写网络爬虫时，则能够有效地从网页上提取所需的数据信息；通过搭建一个功能完善的网络服务器还可以为各类应用程序提供稳定且可靠的网络支持等等。随后让我们共同探索Python语言在网络安全领域的无限魅力吧！
二、网络编程核心知识
2.1 网络协议
在当今互联网时代, 网络协议扮演着类似于交通规则的角色, 它们为不同电子设备之间的通信提供了统一的标准. 任何想要在全球范围内建立高效通信连接的电子设备, 都必须遵守这一系列规范. 其中, TCP/IP 协议家族是互联网 backbone（骨干）的基础框架, 而 UDP 则主要负责实时性要求较高的应用. 每种协议都有其独特的工作模式与应用场景.
TCP 的全称是传输控制协议（Transmission Control Protocol），它是一种面向连接的可靠传输层通信协议，在网络层采用的是基于字节流的方式进行信息传递。就像在打电话时需要先接通电话再进行沟通一样，在使用TCP之前也需要先建立连接，并确保双方都准备好进行交流。在数据发送之前，TCP 会通过三次握手的方式来建立可靠的连接通道，并确保信息能够准确无误地从一端发送到另一端。此外它还提供了超时重传机制丢弃重复数据检验数据流量控制等功能类似于在网络上传输包裹一样一层层把关保证信息安全完整无误地送达目的地例如文件传输电子邮件发送网页浏览等场景由于对信息准确性和完整性要求极高一旦发生信息丢失或错误就可能导致文件损坏邮件内容混乱甚至网页无法正常显示因此这些场景通常都会选用可靠性的高性能协议如TCP来进行通信保障
UDP被称为用户数据报协议（User Datagram Protocol），它是一种无需建立连接且不可靠的传输层协议。类似于邮寄信件的方式，在这种通信模式下发信人无需事先联系收信人即可将数据发送到网络邮箱中。UDP在传递数据时并不需要先建立连接直接将信息发送出去这样虽然能够显著提升速度却无法保证可靠传输和顺序完整性这使得它在某些特定场景下展现出独特的优势例如视频会议直播以及在线游戏等实时性要求高的应用场景由于偶尔的数据包丢失可能只会导致短暂的画面模糊或声音轻微杂音但这并不会对整体用户体验造成显著影响而实时性则是这些应用更为关键的因素因此UDP协议得以广泛应用并发挥其应有的作用
为了更好地理解 TCP 和 UDP 之间的差异，请参考一个简明的例子。假设你需要传输一份关键的商业文档，并且要求文档在传输过程中绝对不能有任何错误或丢失，则应当采用 TCP 协议以确保数据完整无误地送达对方端点。然而，在进行实时视频通话时，则更适合采用 UDP 协议——即使偶尔会出现画面轻微卡顿或声音轻微延迟的情况也不会影响对话的顺利进行
2.2 IP 地址与端口号
IP地址相当于网络世界中的每台设备号码 是为连接至互联网上的每一台设备所指定的一个独特数字标识符 凭借这一标识符 我们可以在浩瀚网络中精准定位到对应的设备 目前而言 IP地址主要包括IPv4和IPv6两种类型
IPv4采用了32位编码方式，并通常以点分十进制形式表示[例如：192.168.1.1]。这种标识类似于一种类似门牌号的标识系统。每个数字取值范围为0至255（注意：实际上每个八位二进制数转换为十进制后取值范围为0至255），总共可提供的可用地址数量约为42亿个（具体数值为((((((((((((( ( ( ( ( ( ( ( ( (
(二五五加一)的八次方减一)))))）。在互联网发展初期，由于其操作简便且应用广泛的特点（简单易用），IPv4成为主流的网络地址协议（NAT），支撑了海量设备间的互联与通信交流（门牌号）。
然而随着互联网快速扩张（发展速度越来越快），各类智能设备如手机、电脑、平板以及智能家居设备不断涌现（层出不穷），对IP地址的需求呈现爆发式增长（需求激增）。而由于 IPv4 标识码资源日益枯竭（可用码池减少），类似门牌号码资源较为有限的问题愈发突出。
为了解决 IPv4 地址资源的匮乏问题，IPv6 逐渐发展起来。其中使用了 128 位地址码，并以八组四位十六进制数的形式表示。具体实例如 2[2][2]::[::1] 等等；其提供的地址空间极为庞大；理论上能分配出大约 3.4 \times 1e+37 的不同地址；这使得网络中每一台设备都获得了独特的身份标识符
有了 IP 地址后，我们就能定位到网络中的设备位置；但一台设备上可能会同时运行多个网络程序：比如你在电脑上网页浏览的同时还使用 QQ 和朋友聊天，并在使用迅雷下载文件；这时就需要用端口号来区分不同的服务或应用程序；端口号就像是设备内部不同功能模块之间的“标识符”，用于标识同一台主机上的不同服务或应用程序；它是一个 16 位的整数范围从 0 到 65535
其中，
0至1023号为知名端口，
也叫常用端口，
一般用于系统级的服务，
如HTTP协议默认采用80号，
HTTPS协议则采用443号，
FTP协议采用21号等。
当用户通过浏览器访问网页时，
浏览器默认采用80号（HTTPS则采用443号）
与服务器建立连接，
服务器通过该号码识别出请求的是网页服务，
并返回相应的网页内容。
而
1024
至
49151
属于注册端口，
由应用程序注册使用，
主要用于客户端与服务器之间的通信。
而
[
]
至
[
]
是动态/
专用
(
dynamic/private)
号码范围，
这些号码通常是根据需求随机分配给客户端使用的。
例如，
当迅雷下载文件时，
迅雷客户端会从动态/专用号码池中选取可用号码
与服务器建立连接进行文件传输，
从而与其他正在运行的网络程序区分开来，
确保数据能够准确地传输到对应的程序中。
2.3 Socket 编程
SOCKET（套接字）是网络编程中的核心概念之一。它类似于连接不同计算机间的通道，在该通道上可实现与其它计算机间的高效通信。简单而言,SOCKET 为应用程序提供了访问网络服务的接口,通过这一接口,我们可以在不同的设备间建立连接,发送和接收数据,从而实现有效的信息传递功能。
通过Python中的socket模块，我们获得了强大的Socket编程支持这一功能，并且使我们能够轻松地创建与使用Socket对象。生成一个Socket对象的过程非常简单；只需调用socket.socket()函数即可完成。常见的地址族包括AF_INET（适用于IPv4网络）以及AF_INET6（适用于IPv6网络）。而常用的套接字类型有SOket_STREAM（基于TCP协议，在线连接提供可靠的通信服务）以及SOket_DGRAM（基于UDP协议，在线连接不需建立即刻通信的服务）。
比如，要创建一个基于 IPv4 的 TCP Socket 对象，可以这样写：
import socket
# 创建一个TCP/IP Socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)完成创建该Socket对象后, 我们还可以提供多种方法以实现各种网络功能. 例如, bind()方法用于绑定该Socket到指定IP地址和端口号, 类似于将窗口定位在特定的位置. 示例代码如下:
# 绑定Socket到地址和端口
server_address = ('localhost', 8080)
sock.bind(server_address)
print(f"Starting up on {server_address[0]} port {server_address[1]}")当使用服务器端的 Socket 时
# 监听连接
sock.listen(1)当客户端发起连接请求时, 服务器采用accept()方法接纳该连接请求, 并随后生成一个全新的Socket对象并附带有客户端的联系方式, 该Socket对象则被用来与客户端进行数据传输
while True:
print("Waiting for a connection")
connection, client_address = sock.accept()
try:
print(f"Connection from {client_address}")
while True:
data = connection.recv(16)
if data:
print(f"Received: {data}")
connection.sendall(data)
else:
break
finally:
connection.close()
在客户端操作中，通过指定服务器地址及端口参数调用connect()方法实现HTTP连接请求。
# 连接到服务器
server_address = ('localhost', 8080)
print(f"Connecting to {server_address[0]} port {server_address[1]}")
sock.connect(server_address)建立连接后, 我们就可以利用send()和recv()函数来进行数据传输了, 其中send()函数负责发送数据, recv()函数则负责接收数据。参考代码示例如下：
# 发送数据
message = 'This is the message. It will be repeated.'
print(f"Sending: {message}")
sock.sendall(message.encode())
# 接收数据
amount_received = 0
amount_expected = len(message)
while amount_received < amount_expected:
data = sock.recv(16)
amount_received += len(data)
print(f"Received: {data}")
完成通信后，请确保在代码中调用close()方法来释放 Socket 连接资源以避免潜在问题。请注意，在实现过程中必须正确处理 Socket 的关闭操作。举例如下：
print("Closing socket")
sock.close()通过这些方法, 我们能够借助 Python 的 socket 模块实现各种复杂而细致的网络通信功能, 构建出性能卓越的网络应用程序。
三、Python 网络编程实战
3.1 TCP 编程实例
下面借助一个简单的TCP服务器和客户端代码示例来深入理解TCP编程的具体实现
首先是 TCP 服务器端的代码：
import socket
# 创建一个TCP/IP socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 绑定socket到指定的IP地址和端口号
server_address = ('localhost', 8080)
server_socket.bind(server_address)
# 开始监听连接，最多允许1个未处理的连接请求
server_socket.listen(1)
print('Server is listening on {}:{}'.format(*server_address))
while True:
# 等待客户端连接
print('Waiting for a connection...')
client_socket, client_address = server_socket.accept()
try:
print('Connection from {}'.format(client_address))
# 接收客户端发送的数据
while True:
data = client_socket.recv(1024)
if data:
print('Received: {}'.format(data.decode('utf-8')))
# 将接收到的数据回显给客户端
client_socket.sendall(data)
else:
break
finally:
# 关闭与客户端的连接
client_socket.close()
在这一段代码中，在这段代码中使用socket.socket()函数创建了一个基于 IPv4 地址族（AF_INET）和传输层协议族（TCP）的 socket 对象server_socket。随后将这个 socket 绑定到指定的 IP 地址localhost以及端口号 8080 上，并通过绑定操作指定了一个地址给服务器以便客户端能够找到它。紧接着调用listen()方法开始监听客户端发送来的连接请求，并允许有1个未处理的连接请求等待处理。
在一个无限循环期间，在线等待客户端的连接。一旦收到客户端的连接请求后，则accept()方法会返回一个专门用于与该集群节点数据传输的新socket对象 client_socket. 此新socket专门服务于与该集群节点的数据传输，并类似于在集群节点端和客户端之间建立了一个专用的数据传输通道. 同时还会提供给客户端机器人的地址信息 client_address.
接下来，在另一个循环中调用recv()函数获取客户端发送的数据。参数1024表示每次最多传输1024字节的数据。若接收到数据，则将该数据解码为UTF-8编码，并输出该字符串；随后调用sendall()方法返回给客户端所接收到的信息；若无接收到数据，则判断客户端已关闭连接，并跳出循环
最后，在finally块内调用close()函数断开与客户端的连接，并完成通信过程。
再来看 TCP 客户端的代码：
import socket
# 创建一个TCP/IP socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 连接到服务器的地址和端口
server_address = ('localhost', 8080)
client_socket.connect(server_address)
print('Connected to {}:{}'.format(*server_address))
try:
# 发送数据到服务器
message = 'Hello, Server!'
print('Sending: {}'.format(message))
client_socket.sendall(message.encode('utf-8'))
# 接收服务器返回的数据
data = client_socket.recv(1024)
print('Received: {}'.format(data.decode('utf-8')))
finally:
# 关闭与服务器的连接
client_socket.close()
在客户端代码中, 同样先是初始化了一个基于 IPv4 协议和 TCP 协议的 socket 对象 client_socket. 然后是通过 connect() 方法连接到服务器指定的地址和端口 'localhost' 和 8080 端口上. 这个过程类似于客户端主动向服务器发送了一次连接请求以建立通信.
一旦通信连接建立成功后，在Python中定义一个要发送的信息info_message，并调用sendall()函数按照UTF-8编码格式将其传递给服务器端系统。随后，在本地端通过调用recv()方法获取服务器返回的数据块，并限定每次接收的最大字节大小为1024字节；在接收到这些数据块之后，则将其解码为字符串格式，并输出结果信息。
最后，在finally块中关闭与服务器之间的连接，并最终实现通信过程。通过以下两个代码示例可以看出TCP编程中服务器端与客户端的交互机制及其利用Python socket模块实现可靠且基于连接的数据传输方式。
3.2 UDP 编程实例
UDP 编程与 TCP 编程存在明显的区别值值得深入探讨的是下面来看 UDP 服务器端和客户端的代码示例：
UDP 服务器端代码：
import socket
# 创建一个UDP socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定socket到指定的IP地址和端口号
server_address = ('localhost', 8081)
server_socket.bind(server_address)
print('Server is listening on {}:{}'.format(*server_address))
while True:
# 接收客户端发送的数据和地址
data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
print('Received from {}: {}'.format(client_address, data.decode('utf-8')))
# 发送响应数据给客户端
response = 'Message received successfully!'
server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_address)
为了在 UDP 服务器端代码中执行操作而初始化一个 socket 对象 server_socket。接着使用 bind() 方法将该 socket 对象与指定位置进行绑定。
在一个无限循环中,通过recvfrom()方法捕获客户端发送的数据及其地址信息.捕获后,输出数据来源地址并显示数据内容.随后,创建一个响应消息response,并调用sendto()方法将其编码版本发送回给客户端. sendto()函数接受两个参数:第一个是待传输的数据内容,第二个为目标客户端的地址信息.
UDP 客户端代码：
import socket
# 创建一个UDP socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 服务器的地址和端口
server_address = ('localhost', 8081)
# 发送数据到服务器
message = 'Hello, UDP Server!'
print('Sending: {}'.format(message))
client_socket.sendto(message.encode('utf-8'), server_address)
# 接收服务器返回的数据
data, server_address = client_socket.recvfrom(1024)
print('Received from {}: {}'.format(server_address, data.decode('utf-8')))
# 关闭socket
client_socket.close()
在UDP客户端代码中, 创建UDP客户端socket对象client_socket后, 设置要发送的信息message, 并通过调用sendto()方法发送消息至服务器指定的IP地址及指定端口. 接着, 通过调用recvfrom()方法接收来自服务器的数据包, 并获取其返回地址. 最后打印接收到的数据内容及其来源IP地址, 并关闭该socket对象.
相较于TCP编程而言，在服务器端无需创建连接以响应客户端请求，并不具备accept()函数的支持。UDP通过sendto()与recvfrom()两个函数来实现数据传输的功能。作为不可靠协议，在对延迟敏感但对可靠性和顺序要求不高的情况下也能展现出显著优势
3.3 网络爬虫应用
网络爬虫也被称作网页蜘蛛或网络机器人,它是一种遵循特定规则的自动化获取程序或脚本.具体来说,在信息海洋中自由穿梭的一位勤勉的工作伙伴能够按照既定规则自动完成各类数据收集工作,涵盖新闻资讯、商品信息、学术论文等各类数据.
网络爬虫作为一种强大的工具，在多个领域都有广泛的应用。在搜索引擎领域中，网络爬虫扮演着类似于信息收集者的角色，并能够遍历海量网页，并将其中的信息进行采集。经过处理后建立了一个完整的索引体系。研究人员可利用网络爬虫技术获取所需领域的数据信息，并通过分析挖掘发现其内在规律与价值所在；这对于提升决策水平具有重要意义。此外，在商业运营层面中，则有助于企业掌握竞争对手产品与价格动态变化情况；从而能够及时调整自身战略方针以保持竞争优势
作为学习 Python 编程的一个常见案例
提交 HTTP 请求抓取网页内容：调用requests库的get()方法向目标网站提交 HTTP 请求以捕获其HTML内容。
import requests
url = 'https://movie.douban.com/top250'
response = requests.get(url)
if response.status_code == 200:
html_content = response.text
else:
print(f'请求失败，状态码: {response.status_code}')
在该代码中首先声明了一个目标网页的URL地址随后通过requests.get()方法向该地址发送网络请求并将返回的内容赋值给了response变量接着通过查询response.status_code属性判断此次网络请求的状态如果状态码等于200则表示请求操作成功此时程序会提取该网页对应的HTML页面内容并将其赋值给html_content变量
通过利用BeautifulSoup库进行分析，并从获取到的 HTML 内容中精确提取所需的信息内容
from bs4 import BeautifulSoup
soup = BeautifulSoup(html_content, 'html.parser')
movie_list = soup.find_all('div', class_='item')
for movie in movie_list:
title = movie.find('span', class_='title').text
rating = movie.find('span', class_='rating_num').text
quote = movie.find('span', class_='inq')
quote = quote.text if quote else '无'
print(f'电影名称: {title}，评分: {rating}，简介: {quote}')
随后利用BeautifulSoup解析获取到的HTML内容html_content，并生成一个BeautySop对象soup。随后调用soup.find_all()方法来定位所有标有class属性为item的div标签。接着，在定位到的每个电影信息块内分别调用find()方法来查找电影名称（对应的是带有class属性为title的span标签）、评分（对应的是带有class属性为rating_num的span标签）以及简介（对应的是带有class属性为inq的span标签）。当发现存在简介时，则提取其文本内容；若未找到则将其设为空字符串。最后将收集到的所有电影信息进行输出。
解析分页内容：当目标网页包含多页内容时……
base_url = 'https://movie.douban.com/top250?start={}&filter='
for start in range(0, 250, 25):
url = base_url.format(start)
response = requests.get(url)
if response.status_code == 200:
html_content = response.text
soup = BeautifulSoup(html_content, 'html.parser')
movie_list = soup.find_all('div', class_='item')
for movie in movie_list:
title = movie.find('span', class_='title').text
rating = movie.find('span', class_='rating_num').text
quote = movie.find('span', class_='inq')
quote = quote.text if quote else '无'
print(f'电影名称: {title}，评分: {rating}，简介: {quote}')
在该代码中定义了一个基础URL（base_url），其中{}作为占位符用来代替每页数据的起始索引。随后通过调用range()函数生成了一系列起始索引值序列（0, 25, 50, ..., 225），再利用format()方法将每个起始索引值插入到URL中以便生成相应每一页对应的URL。接着依次发送网络请求至每一页URL，并获取对应的网页内容后进行解析与数据提取。这样我们便能够收集多页电影信息。通过以上所述的具体步骤我们便可以利用Python编写一个相对简单的网络爬虫程序从而实现从网页上提取所需信息的功能。
四、总结与展望
经过上述讲解与分析后可知，在 Python 网络编程方面已获得较为深入的理解。涉及诸如网络协议等基本概念开始时会涉及 IP 地址与端口号的相关知识；随后则发展至核心的 Socket 编程进而具体实例分析包括 TCP/UDP 编程实现及网络爬虫开发；各环节则凸显了 Python 在该领域强大的技术实力及其操作上的简便性。
网络编程是构建现代网络应用的基础学科，在众多编程语言中，Python以其强大的生态系统而闻名于世。它为我们提供了丰富且易于上手的工具与库集，使网络开发过程更加高效且趣味盎然。希望本文能帮助大家深入理解Python网络编程的核心概念，并激发你对这一领域学习的热情，在实践中不断提升自己的技能水平。
随着互联网技术快速演进，在物联网、人工智能以及云计算等新兴领域中
如果你对Python网络编程感到浓厚兴趣的话