Day31 of learning python --socket的黏包
1.socket参数的详解
socket.socket(family=AF_INET,type=SOCK_STREAM,proto=0,fileno=None)
| family | 地址系列应为AF_INET(默认值),AF_INET6,AF_UNIX,AF_CAN或AF_RDS。 （AF_UNIX 域实际上是使用本地 socket 文件来通信） |
| type | 套接字类型应为SOCK_STREAM(默认值),SOCK_DGRAM,SOCK_RAW或其他SOCK_常量之一。 SOCK_STREAM 是基于TCP的，有保障的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的SOCKET，多用于资料传送。 SOCK_DGRAM 是基于UDP的，无保障的面向消息的socket，多用于在网络上发广播信息。 |
| proto | 协议号通常为零,可以省略,或者在地址族为AF_CAN的情况下,协议应为CAN_RAW或CAN_BCM之一。 |
| fileno | 如果指定了fileno,则其他参数将被忽略,导致带有指定文件描述符的套接字返回。 与socket.fromfd()不同,fileno将返回相同的套接字,而不是重复的。 这可能有助于使用socket.close()关闭一个独立的插座。 |
2.黏包现象
调用本机的CMD:
res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE) 得到的结果的编码是以前所在的系统为准，如果是windows，那么res.stdout.read()读出的是GBK编码的，在接收端需要用GBK解码，且只能从管道里读一次结果。
基于TCP实现的黏包
# 基于TCP远程执行命令，下发命令 import socket sk = socket.socket() sk.bind(('127.0.0.1',8090)) sk.listen() conn,addr = sk.accept() while 1: cmd = input('cmd>>>').encode('gbk') conn.send(cmd) ret = conn.recv(1024).decode('gbk') print(ret) conn.close() sk.close() #使用TCP的时候，出现了黏包的现象，但是不丢包 # 网盘，文件的上传和下载，登陆 # server端和client端 # 登陆，客户端登陆，将用户名和密码发给服务端，服务段确认信息之后 # 上传下载，选择上传/下载 # 选择要上传的文件路径，在server创建一个同名的空文件.cache # 下载：选择下载的文件路径，在client创建一个同名的空文件
# 接收消息并执行 import socket import subprocess sk = socket.socket() sk.connect(('127.0.0.1',8090)) while 1: cmd = sk.recv(1024).decode('gbk') ret = subprocess.Popen(cmd,shell=True,stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE) std_out = 'stdout:'+(ret.stdout.read()).decode('gbk') std_err = 'stderr:'+(ret.stdout.read()).decode('gbk') sk.send(std_out.encode('gbk')) sk.send(std_err.encode('gbk')) sk.close()
得到的现象结果是：先接收到一部分的内容，等后续在循环到此处的时候时，再接收之前剩余的部分。但是数据不会丢失
基于UDP实现的黏包
import socket sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) sk.bind(('127.0.0.1',8090)) msg,addr = sk.recvfrom(1024) print(msg.decode('gbk')) while 1: cmd = input('cmd>>>').encode('gbk') if cmd == 'q': break sk.sendto(cmd,addr) msg,addr = sk.recvfrom(2048) print(msg.decode('gbk')) sk.close() # udp不会黏包，但是udp会丢包
import socket import subprocess sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) addr = ('127.0.0.1',8090) sk.sendto('吃了么'.encode('gbk'),addr) while 1: cmd,addr = sk.recvfrom(1024) ret = subprocess.Popen(cmd.decode('gbk'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) std_out = 'stdout:' + (ret.stdout.read()).decode('gbk') std_err = 'stderr:' + (ret.stdout.read()).decode('gbk') sk.sendto(std_out.encode('gbk'),addr) sk.sendto(std_err.encode('gbk'),addr) sk.close()
注意：只有TCP有黏包现象，UDP永远不会黏包
3.黏包的原因
TCP协议的拆包机制
发送端缓冲区的长度大于网卡的MTU时，tcp会将这次发送的数据拆成几个数据包发送出去。
MTU是Maximum Transmission Unit的缩写。意思是网络上传送的最大数据包。MTU的单位是字节。 大部分网络设备的MTU都是1500。如果本机的MTU比网关的MTU大，大的数据包就会被拆开来传送，这样会产生很多数据包碎片，增加丢包率，降低网络速度。
面向流的通信特点和Nagle算法
TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。
收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。
这样，接收端，就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。 即面向流的通信是无消息保护边界的。
对于空消息：tcp是基于数据流的，于是收发的消息不能为空，这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制，防止程序卡住，而udp是基于数据报的，即便是你输入的是空内容（直接回车），也可以被发送，udp协议会帮你封装上消息头发送过去。
可靠黏包的tcp协议：tcp的协议数据不会丢，没有收完包，下次接收，会继续上次继续接收，己端总是在收到ack时才会清除缓冲区内容。数据是可靠的，但是会粘包。
基于TCP协议特点的黏包现象成因
发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据。
也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。
而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。
用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) – UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误。（丢弃这个包，不进行发送）
用TCP协议发送时，由于TCP是数据流协议，因此不存在包大小的限制（暂不考虑缓冲区的大小），这是指在用send函数时，数据长度参数不受限制。而实际上，所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去，如果这段数据比较长，会被分段发送，如果比较短，可能会等待和下一次数据一起发送。
会发生黏包的两种情况
情况一：发送方的缓存机制，发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成黏包（发送数据时间间隔很短，数据很小，因而会合到一起，产生黏包）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8080) tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) tcp_socket_server.bind(ip_port) tcp_socket_server.listen(5) conn,addr=tcp_socket_server.accept() data1=conn.recv(10) data2=conn.recv(10) print('----->',data1.decode('utf-8')) print('----->',data2.decode('utf-8')) conn.close()
import socket BUFSIZE=1024 ip_port=('127.0.0.1',8080) s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) res=s.connect_ex(ip_port) s.send('hello'.encode('utf-8')) s.send('egg'.encode('utf-8'))
情况二：接收方的缓存机制，接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只接收了一小部分，服务端下次再接收的时候，还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生黏包）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8080) tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) tcp_socket_server.bind(ip_port) tcp_socket_server.listen(5) conn,addr=tcp_socket_server.accept() data1=conn.recv(2) #一次没有收完整 data2=conn.recv(10)#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的 print('----->',data1.decode('utf-8')) print('----->',data2.decode('utf-8')) conn.close()
import socket BUFSIZE=1024 ip_port=('127.0.0.1',8080) s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) res=s.connect_ex(ip_port) s.send('hello egg'.encode('utf-8'
总结：
黏包现象只发生在TCP协议中：
1.从表面上看，黏包问题主要是因为发送方和接收方的缓存机制，TCP协议面向流通信的特点
2.实际上，主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性要提取多个字节的数据所造成的。
4.黏包的解决办法
解决方案一：
告诉接收方，发送端将会发送多个字节的包，然后接收方就固定接收这个数值。
import socket,time s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080)) while True: msg=input('>>: ').strip() if len(msg) == 0:continue if msg == 'quit':break s.send(msg.encode('utf-8')) length=int(s.recv(1024).decode('utf-8')) s.send('recv_ready'.encode('utf-8')) send_size=0 recv_size=0 data=b'' while recv_size < length: data+=s.recv(1024) recv_size+=len(data) print(data.decode('gbk'))
import socket,subprocess ip_port=('127.0.0.1',8080) s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) s.bind(ip_port) s.listen(5) while True: conn,addr=s.accept() print('客户端',addr) while True: msg=conn.recv(1024) if not msg:break res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,\ stdin=subprocess.PIPE,\ stderr=subprocess.PIPE,\ stdout=subprocess.PIPE) err=res.stderr.read() if err: ret=err else: ret=res.stdout.read() data_length=len(ret) conn.send(str(data_length).encode('utf-8')) data=conn.recv(1024).decode('utf-8') if data == 'recv_ready': conn.sendall(ret) conn.close()
这个解决方案是对于接收机制来说的，以1024个字节为一个递增的单位。
存在问题：程序的运行速度远快于网络传输速度，所以在发送一段字节之前，先用send去发送该字节流长度，这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗
解决方案二：
借助struct模块：这个模块可以把要发送的数据长度转换成固定的长度的字节。这样客户端每次接收消息之前只要先查看接收这个固定长度的内容的值，那么最终接收的数据只要达到这个值就能停止，恰好接收那么大的数据包。
struct模块：可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes
struct.pack('i',1111111111111) # i表是整数类型 struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 #这个是范围
import json,struct #假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt #为避免粘包,必须自定制报头 header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T数据,文件路径和md5值 #为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成bytes,用于传输 #为了让客户端知道报头的长度,用struck将报头长度这个数字转成固定长度:4个字节 head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #这4个字节里只包含了一个数字,该数字是报头的长度 #客户端开始发送 conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes conn.send(head_bytes) #再发报头的字节格式 conn.sendall(文件内容) #然后发真实内容的字节格式 #服务端开始接收 head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式 x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度 head_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式 header=json.loads(head_bytes.decode('utf-8')) #提取报头 #最后根据报头的内容提取真实的数据,比如 real_data_len=s.recv(header['file_size']) s.recv(real_data_len)
注意提取报头的长度的时候，后面要加[0]的索引，否则会取不到数据的，struct.unpack('i',head_len_bytes)得到的是一个元组的数据
自定制报头：把报头做成字典的形式，字典里包含将要发送的真实数据的详细信息，然后json序列化，然后用struct将序列化后的数据长度打包成4个字节。
| 发送时 | 接收时 |
|
先发报头长度 |
先收报头长度，用struct取出来 |
| 再编码报头内容然后发送 | 根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化 |
| 最后发真实内容 | 从反序列化的结果中取出待取数据的详细信息，然后去取真实的数据内容 |
import socket,struct,json import subprocess phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加 phone.bind(('127.0.0.1',8080)) phone.listen(5) while True: conn,addr=phone.accept() while True: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break print('cmd: %s' %cmd) res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) err=res.stderr.read() print(err) if err: back_msg=err else: back_msg=res.stdout.read() headers={'data_size':len(back_msg),'name':'中国人'} head_json=json.dumps(headers) head_json_bytes=head_json.encode('utf-8') # 将序列化的字符串转化成可以编码成可以传输的bytes类型 conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度 conn.send(head_json_bytes) #再发报头 conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容 conn.close()
from socket import * import struct,json ip_port=('127.0.0.1',8080) client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) client.connect(ip_port) while True: cmd=input('>>: ') if not cmd:continue client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8')) head=client.recv(4) # 接收报头固定长度 head_json_len=struct.unpack('i',head)[0] # 取出报头的长度 print(struct.unpack('i',head),type(struct.unpack('i',head))) head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8')) # 接收报头的内容 data_len=head_json['data_size'] # 从报头的内容中取出要传输的内容的大小 recv_data = client.recv(data_len) # 以这个大小来接收数据 print(recv_data.decode('gbk'))
5.socket的更多方法介绍
服务端套接字函数
s.bind() 绑定(主机,端口号)到套接字
s.listen() 开始TCP监听
s.accept() 被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来
客户端套接字函数
s.connect() 主动初始化TCP服务器连接
s.connect_ex() connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常
公共用途的套接字函数
s.recv() 接收TCP数据
s.send() 发送TCP数据
s.sendall() 发送TCP数据
s.recvfrom() 接收UDP数据
s.sendto() 发送UDP数据
s.getpeername() 连接到当前套接字的远端的地址
s.getsockname() 当前套接字的地址
s.getsockopt() 返回指定套接字的参数
s.setsockopt() 设置指定套接字的参数
s.close() 关闭套接字
面向锁的套接字方法
s.setblocking() 设置套接字的阻塞与非阻塞模式
s.settimeout() 设置阻塞套接字操作的超时时间
s.gettimeout() 得到阻塞套接字操作的超时时间
面向文件的套接字的函数
s.fileno() 套接字的文件描述符
s.makefile() 创建一个与该套接字相关的文件
send()和sendall()的使用区别： send()的返回值是发送的字节数量，这个数量可能小于要发送的string的字节数，也就是说可能无法发送string中的所有数据。如果仅传输的是一部分数据，则应用程序会尝试发送剩余的数据。如果有错误，则会抛出异常。 sendall()，尝试发送string的所有数据，成功则返回None，失败则抛出异常。 等价代码 sock.sendall('hello world\n') buffer = 'hello world\n' while buffer: bytes = sock.send(buffer) # 返回的是已经传输好的下一个字符 buffer = buffer[bytes:]
6.验证客户端连接的合法性
from socket import * import hmac,os secret_key = b'ni hao' def auth_handle(conn): print('开始验证新连接的合法性') info = os.urandom(32) # 随机产生32位的数字 conn.sendall(info) h = hmac.new(secret_key,info) digest = h.digest() respon = conn.recv(len(digest)) return hmac.compare_digest(respon,digest) def data_handle(conn,bufsize=1024): if not auth_handle(conn): print('该连接不合法，关闭') conn.close() return print('连接合法，开始通信') while 1: data = conn.recv(bufsize) if not data:break conn.sendall(data.upper()) def server_handle(ip_port,bufsize): sk = socket() sk.bind(ip_port) sk.listen() while 1: conn,addr = sk.accept() print('新连接[%s:%s]'%(addr[0],addr[1])) data_handle(conn,bufsize) if __name__ == '__main__': ip_port = ('127.0.0.1',8080) bufsize = 1024 server_handle(ip_port,bufsize)
from socket import * import hmac,os # secret_key = b'ni hao' def conn_auth(conn,secret_key): msg = conn.recv(32) h = hmac.new(secret_key,msg) digest = h.digest() conn.sendall(digest) def client_handle(ip_port,bufsize=1024): sk = socket() sk.connect(ip_port) secret_key = bytes(input('请输入密码>>>').strip(),encoding='utf-8') conn_auth(sk,secret_key) while 1: data = input('>>>').strip() if not data:continue if data == 'quit':break sk.sendall(data.encode('utf-8')) respon = sk.recv(bufsize) print(respon.decode('utf-8')) sk.close() if __name__ == '__main__': ip_port=('127.0.0.1',8080) bufsize = 1024 client_handle(ip_port,bufsize)
7.socketserver
用来实现TCP的并发
# socketserver tcp 可以和多个客户端交互 import socketserver class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler): # 用来实现并发 def handle(self): # self.request 就相当于一个conn while 1: msg = self.request.recv(1024).decode('utf-8') if msg == 'q':self.request.close() print(msg) info = input('%s>>>'%msg[0:2]) self.request.send(info.encode('utf-8')) if __name__ == '__main__': server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyServer) # 实例化 # thread 线程，只有线程才能占用CPU的资源，一般情况下，一个程序只有一个线程 server.serve_forever() # 永远启动该服务器 # socket_server # 看源码要点：第一 多个类之间的继承关系要先整理，第二 每一个类中有那些方法，要大值列出来，第三 所有的self对象调用要清楚的了解，到底是谁的对象 # 所有的的方法调用要退回到最子类的类中开始寻找，逐级向上 # 要学会看源码
import socket sk = socket.socket() sk.connect(('127.0.0.1',8080)) while 1: msg = input('>>>') if msg == 'q': break sk.send(('美团'+msg).encode('utf-8')) ret = sk.recv(1024).decode('utf-8') print(ret) sk.close()
import socket sk = socket.socket() sk.connect(('127.0.0.1',8080)) while 1: msg = input('>>>') if msg == 'q': sk.send(b'q') break sk.send(('大众点评'+msg).encode('utf-8')) ret = sk.recv(1024).decode('utf-8') print(ret) sk.close()
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