5. Komunikace pomocí soketů a HTTP

Modul socket

• https://docs.python.org/3/library/socket.html
• Modul socket je základní nástroj pro implementaci síťové komunikace.
• Je nízkoúrovňový - jsou na něm založeny všechny ostatní moduly Pythonu vyšší úrovně pro propojení v síti.
• Podporuje většinu běžných protokolů, včetně TCP a UDP.
• Data nejčastěji odesílány a přijímány jako bloky binárních dat.
  • Je třeba určit jejich formu.
  • Nabízí se modul pickle - jedná se o modul v Pythonu, který umožňuje převádět objekty do binárního formátu (serializace) a zpět (deserializace), což je užitečné pro ukládání dat nebo jejich přenos po síti.

Vytváření socketů:

import socket
 
socket = socket.socket(
	family=AF_INET,
	type=SOCK_STREAM
)

Při vytváření socketů specifikujeme protokoly, které bude socket používat. Dva základní parametry: family a type.

family - určuje, jaký protokol na síťové vrstvě bude socket používat.

• socket.AF_INET: Pro IPv4 adresy.
• socket.AF_INET6: Pro IPv6 adresy.
• socket.AF_UNIX: Unixový socket (pro lokální komunikaci mezi procesy).
• socket.AF_NETLINK

type - určuje, jaký styl komunikace socket podporuje.

• socket.SOCK_STREAM:
  • Používá TCP (spolehlivý, orientovaný na připojení, přenos dat jako proud bajtů).
• socket.SOCK_DGRAM:
  • Používá UDP (nespolehlivý, bez připojení, přenos dat jako jednotlivé pakety).
• socket.SOCK_RAW

Výchozí hodnota při vytváření socketu pro parametr family je socket.AF_INET a pro parametr type socket.SOCK_STREAM.

Odeslání zprávy:

s.connect(('localhost', 12345)) # navázání spojení
s.sendall(b'Ahoj!') #odešle všechna data
s.close() # ukončí socket s

Při odesílání zprávy musíme znát adresu příjemce. Ta je určena dvojicí (host, port):

• host je adresa příjemce na síťové vrstvě - ta je daná podle zvolené family
  • Pro simulaci na lokálním počítači lze využít localhost
• port je to číslo v rozsahu 1–65535, které specifikuje konkrétní aplikaci nebo službu na zařízení příjemce.

Následně data pošleme pomocí socket.send(), nebo socket.sendall()

• sendall - když se data nevlezou do bufferu, automaticky je rozdělí a pošle
• send - pokud nemůže odeslat všechna data najednou (např. kvůli omezení bufferu), odešle jen část dat → Ruční řízení odesílání.

Poslouchání a přijímání dat:

addr = ('localhost', 12345) # adresa na které posloucháme
s.bind(addr) # přiřadí socket k adrese
s.listen() # umožňuje přijímat příchozí připojení
conn, addr = s.accept() # čeká se na příchozí připojení
print(f'Připojeno: {addr}')
data = conn.recv(1024) #přijme data, max. 1024B
conn.sendall(b'Ahoj!') # pošle odpověď
conn.close() # ukončí socket conn
s.close() # ukončí socket s

Pro příjem zpráv je nutné přiřadit socketu adresu, na kterou můžou odesílatelé zasílat zprávy. Toho dosáhneme pomocí příkazu socket.bind(addr). Následně socket přepneme do tzv. poslouchacího módu pomocí socket.listen(). Pak můžeme čekat než obdržíme zprávu přes socket.accept(). socket.accept() po obdržení dat vrátí socket conn určený pro komunikaci s odesílatelem a adresu odesílatele addr. Samotnou zprávu pak dostaneme zadáním socket.recv(buffer_size). Parametr buffer_size udává maximální počet bajtů, které se mají přečíst při jednom volání metody.

• Co když data přesáhnou 1024B?
  • Přijímací strana tohle nemá šanci zjistit.
  • Řešení: Použití ukončovacího znaku, první zpráva nese informaci kolik bytů má přijímací strana čekat…

Výhody:

• Přímá kontrola nad socketovou komunikací.
• Flexibilita pro implementaci vlastních protokolů.

Nevýhody:

• Vyžaduje znalosti síťových protokolů.
• Implementace složitější logiky (např. HTTPS) je náročnější.

---

Modul http

• https://docs.python.org/3/library/http.html
• Modul http v Pythonu poskytuje nástroje pro práci s protokolem HTTP.
• Je rozdělen na několik podmodulů:
  • http.client
  • http.server
  • http.cookies
  • http.cookiejar
  • http.HTTPStatus, http.HTTPMethod
• Využívá ho mnoho vyšších knihoven, jako je requests nebo flask.

Výhody:

• Vyšší úroveň abstrakce.
• Snazší implementace běžných HTTP funkcionalit.

Nevýhody:

• Omezená flexibilita ve srovnání s nízkoúrovňovou komunikací pomocí socket.

http.server

• Tento modul definuje třídy pro implementaci HTTP serverů.

from http.server import HTTPServer, BaseHTTPRequestHandler
 
 
class MyHandler(BaseHTTPRequestHandler):
 
	# Definujeme metodu pro zpracování GET požadavků
	def do_GET(self):
		pass
 
server = HTTPServer(("localhost", 8000), MyHandler)
print("Server bezi na portu 8000...")
server.serve_forever()

Dva typy:

• http.server.HTTPServer(args)
• http.server.ThreadingHTTPServer(args) identický předchozímu, používá však vlákna ke zpracování požadavků - použití vícenásobné dědičnosti ThreadingMixIn

Argumenty args

• _server_address_ opět dvojice host a port
• _RequestHandlerClass_ - zpracovává příchozí HTTP požadavky (např. GET, POST) a definuje, jak server na tyto požadavky odpoví
  • BaseHTTPRequestHandler - Základní třída pro implementaci vlastního chování HTTP serveru.
  • SimpleHTTPRequestHandler - Automaticky obsluhuje GET a HEAD požadavky. Automaticky poskytuje statické soubory z určeného adresáře.
  • CGIHTTPRequestHandler - Rozšířená třída, která kromě statických souborů podporuje CGI (Common Gateway Interface) skripty. Metoda serve_forever() spustí server, aby neustále naslouchal na příchozí HTTP požadavky a obsluhoval je. Tento proces běží, dokud server není ukončen.

Ukázka metody pro zpracování GET

def do_GET(self):
	# Odeslání odpovědi s kódem 200 (OK)
	self.send_response(200)
	# Nastavení hlavičky Content-Type pro HTML obsah
	self.send_header("Content-type", "text/html") 
	self.end_headers()
	# Odeslání těla odpovědi – text "Hello, World!"     
	self.wfile.write(b"Hello, World!") 

Pomocí metody send_response(status_code) server pošle stavový kód, který signalizuje výsledek požadavku. Metoda send_header(key, value):

• key: Klíč hlavičky (string) – specifikuje název hlavičky.
• value: Hodnota hlavičky (string) – obsah hlavičky. Pro nastavení více hlaviček stačí send_header zavolat vícekrát před zavoláním end_headers(). Které specifikaci hlaviček ukončí.

Pro odesílání těla HTTP odpovědi se zavolá wfile.write(content). Tato metoda vyžaduje binární data. Lze opět poslat více než jedno tělo zprávy opakovaným zasláním této metody.

---

Související moduly

• socketserver
  • Návrh kódu pro tvorbu serverů bývá často podobný - proto je často vhodnější použít tento vysokoúrovňový modul.
  • Stará se o všechny základní operace a nám už stačí přidat třídy obsluhující požadavky s metodou handle().
  • Řeší za nás komunikaci tím, že obslouží požadavek každého připojení, ať už sériově nebo předáním každého požadavku jeho vlastnímu samostatnému vláknu, či procesu.
  • Více na https://docs.python.org/3/library/ssl.html.
• asyncore
  • Modul pro asynchronní I/O operace se sokety.
  • Více na https://docs.python.org/3.11/library/asyncore.html.
• asynchat
  • Tento modul je nadstavbou nad asyncore, která usnadňuje práci s protokoly, které se skládají z několika zpráv (např. textové protokoly nebo protokoly, které očekávají více fragmentů dat).
  • Více na https://docs.python.org/3.11/library/asynchat.html.
• ssl
  • Modul pro přidání SSL/TLS šifrování do soketové komunikace.
  • Definuje třídu ssl.SSLSocket zděděná z socket.Socket.
  • Více na https://docs.python.org/3/library/ssl.html.
• twisted - komplexní síťový framework třetí strany
  • Nabízí podporu pro širokou škálu síťových protokolů, jako jsou HTTP, SMTP, POP3, IMAP a další.
  • Více na www.twistedmatrix.com.