26. 网络编程之套接字、粘包
socket套接字
套接字介绍
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。
也有人将socket说成ip+port，ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序，ip地址是配置到网卡上的，而port是应用程序开启的，ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序，而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识
套接字发展史
套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。
基于文件类型的套接字家族：AF_UNIX（address family的首字母）
unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信
基于网络类型的套接字家族：AF_INET
(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)
套接字通信流程
# socket介绍
import socket
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
# socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM （tcp协议）或 SOCK_DGRAM（udp协议），protocol一般不填，默认值为0。
# 获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码，例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
'''
套接字函数介绍
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(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)
s.sendall() 发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)
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
'''
基于tcp的通信实现
########## 服务端 ##########
import socket
# 1、初始化套接字
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # tcp协议也被称为流式协议，指的是数据像是水流一样发送
# 2、绑定客户端
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535, 1024以前的都被系统保留使用
# 3、开启监听模式
phone.listen(5) # 5指的是半连接池的大小，listen是指打开监听模式，能够持续的接收请求
# 4、等待客户端连接
# 加上链接循环，防止链接断开之后无法收到信息
while True:
conn,client_addr=phone.accept() # conn是一个链接，client_addr是客户端地址，这里是循环的从半链接池中取出链接请求，建立双向链接，拿到链接对象
# 5、通信循环：能够持续的收\发消息
while True:
try:
data=conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes，收到的是bytes类型
if len(data) == 0:
# 在unix系统洗，一旦data收到的是空意味着是一种异常的行为：客户端非法断开链接
break
print("客户端发来的消息：",data.decode('utf-8'))
conn.send(data.upper())
except Exception:
# 针对windows系统
break
# 6、关闭电话连接conn（必选的回收资源的操作)
conn.close()
# 7、关机（可选操作）
phone.close()
########## 客户端 ##########
import socket
# 1、初始化套接字
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
# 2、建立连接
phone.connect(('127.0.0.1',8080)) # 这里的地址是服务端绑定的地址
# 3、进行传输
while True:
msg=input("输入要发送的消息>>>: ").strip() #msg=''
if len(msg) == 0: continue
phone.send(msg.encode('utf-8'))
print('======?')
data=phone.recv(1024)
print(data.decode('utf-8'))
# 4、关闭连接(必选的回收资源的操作)
phone.close()
基于udp的通信实现
############ 服务端 ###########
import socket
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # udp协议是一种数据报协议，就是每次发送数据都是一个数据包，数据包除了传输的数据本身，还有一些其他的关于传输的信息
server.bind(('127.0.0.1',8081))
while True:
data,client_addr=server.recvfrom(1024)
server.sendto(data.upper(),client_addr)
server.close()
############ 客户端 ###########
import socket
client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # 参数是不一样的
while True:
msg=input('>>>: ').strip()
client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8081))
res=client.recvfrom(1024)
print(res)
client.close()
基于tcp协议实现远程执行命令
# 客户端
from socket import *
client=socket.socket(AF_INET,SOCK_STREAM) # *号导入之后就不用加前缀socket了
client.connect(('127.0.0.1',8080))
while 1:
msg=input('请输入：').strip()
if len(msg) ==0: continue
client.send(msg.encode('utf-8'))
cmd_res=client.recv(1024) # 最大的数据接收量是1024字节
print(cmd_res)
# 服务端
from socket import *
server=socket.socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server,bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5) # 半链接池的大小
while True:
conn,client_addr=phone.accept()
while True:
try:
data=conn.recv(1024)
if len(data) == 0:
break
print("客户端发来的消息：",data.decode('utf-8'))
conn.send(data.upper())
except Exception:
break
粘包现象
首先，粘包现象只发生在tcp传输中，udp协议的传输不会发生粘包现象
其次，发送的时候不会发生粘包，只是接收的时候因为没有收全才会发生粘包
基于tcp的套接字客户端往服务端上传文件，发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的（这也是为什么TCP协议叫流式协议原因），字节流的大小可能是3K，也可能是5K，总之在接收方看来，只是知道一段一段的字节流，但是根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束，接收到的消息很有可能不完整。
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。可以认为发送方一次性write/send的数据为一个单位的消息，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区，因此，UDP协议不会发生粘包现象。
发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。
-
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。
-
UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接的，面向消息的，提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法，, 由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的skbuff(套接字缓冲区）采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），这样，对于接收端来说，就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。
-
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），那也不是空消息，udp协议会帮你封装上消息头
udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendto(y),收完了x个字节的数据就算完成,若是y>x数据就丢失，这意味着udp根本不会粘包，但是会丢数据，不可靠
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。
粘包发生的两种情况
- 发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据量很小，多条数据可能会合到一起，产生粘包）
- 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，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）
拆包的发生情况
当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。
为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输
基于tcp的数据传输请参考http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html，tcp在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以tcp是可靠的
而udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠
补充问题二：send(字节流)和recv(1024)及sendall
recv里指定的1024意思是从缓存里一次拿出1024个字节的数据
send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失
解决粘包现象
# 服务端应该满足两个特点：
# 1、一直对外提供服务
# 2、并发地服务多个客户端
import subprocess
import struct
import json
from socket import *
server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) # tcp服务
server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) # 在bind前加，这样就能解决端口被占用的问题
server.bind(('127.0.0.1',8083))
server.listen(5)
# 服务端应该做两件事
# 第一件事：循环地从板连接池中取出链接请求与其建立双向链接，拿到链接对象
while True:
conn,client_addr=server.accept() # 链接对象
# 第二件事：拿到链接对象，与其进行通信循环
while True:
try:
cmd=conn.recv(1024)
if len(cmd) == 0:break # 断开链接，重新创建链接对象
obj=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), # subprocess模块能让输入的命令在cmd命令中执行
shell=True,
stdout=subprocess.PIPE,
stderr=subprocess.PIPE
)
stdout_res=obj.stdout.read()
stderr_res=obj.stderr.read()
total_size=len(stdout_res)+len(stderr_res)
# 到这里为止就得到了服务端处理的结果，下面解决粘包问题
# 1、制作头（头信息中包含的数据很多，下面只是一个例子）
header_dic={
"filename":"a.txt",
"total_size":total_size,
"md5":"123123xi12ix12"
}
json_str = json.dumps(header_dic) # 将字典转换成字符串
json_str_bytes = json_str.encode('utf-8') # 将字符串转换成bytes类型
# 2、先把头的长度发过去
x=struct.pack('i',len(json_str_bytes)) # struct能将后面的内容转换成长度一定的bytes类型，具体的用法下面会介绍
conn.send(x)
# 3、发头信息
conn.send(json_str_bytes)
# 4、发真实的数据
conn.send(stdout_res)
conn.send(stderr_res)
except Exception:
break
conn.close()
# 客户端
import struct
import json
from socket import *
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1',8083))
while True:
cmd=input('请输入命令>>：').strip()
if len(cmd) == 0:continue
client.send(cmd.encode('utf-8'))
# 接收端
# 1、先收4个字节，从中提取接下来要收的头的长度
x=client.recv(4)
header_len=struct.unpack('i',x)[0] # 是上面的字典中的数据
# 2、接收头，并解析
json_str_bytes=client.recv(header_len)
json_str=json_str_bytes.decode('utf-8')
header_dic=json.loads(json_str)
print(header_dic)
total_size=header_dic["total_size"]
# 3、接收真实的数据
recv_size = 0
while recv_size < total_size:
recv_data=client.recv(1024)
recv_size+=len(recv_data)
print(recv_data.decode('utf-8'),end='')
else:
print()
# 思路：就是先得到每次传输数据的长度，再创建一个计数器计算得到的数据长度，当得到的数据的长度与传输数据的长度一致的时候结束传输
struct模块
该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes
struct.pack('i',数据)
struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 # 这个是范围
# http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
import struct
import binascii
import ctypes
values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
s1 = struct.Struct('I3sf')
s2 = struct.Struct('4sI')
print(s1.size,s2.size)
prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
# t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
# print(t)
s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)
print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))
s3=struct.Struct('ii')
s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s3.unpack_from(prebuffer,0))
# 了解一下就行了，我也没怎么看懂
例子：上传下载文件
# 服务端
import socket
import struct
import json
import subprocess
import os
class MYTCPServer:
address_family = socket.AF_INET
socket_type = socket.SOCK_STREAM
allow_reuse_address = False
max_packet_size = 8192
coding='utf-8'
request_queue_size = 5
server_dir='file_upload'
def __init__(self, server_address, bind_and_activate=True):
"""Constructor. May be extended, do not override."""
self.server_address=server_address
self.socket = socket.socket(self.address_family,
self.socket_type)
if bind_and_activate:
try:
self.server_bind()
self.server_activate()
except:
self.server_close()
raise
def server_bind(self):
"""Called by constructor to bind the socket.
"""
if self.allow_reuse_address:
self.socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
self.socket.bind(self.server_address)
self.server_address = self.socket.getsockname()
def server_activate(self):
"""Called by constructor to activate the server.
"""
self.socket.listen(self.request_queue_size)
def server_close(self):
"""Called to clean-up the server.
"""
self.socket.close()
def get_request(self):
"""Get the request and client address from the socket.
"""
return self.socket.accept()
def close_request(self, request):
"""Called to clean up an individual request."""
request.close()
def run(self):
while True:
self.conn,self.client_addr=self.get_request()
print('from client ',self.client_addr)
while True:
try:
head_struct = self.conn.recv(4)
if not head_struct:break
head_len = struct.unpack('i', head_struct)[0]
head_json = self.conn.recv(head_len).decode(self.coding)
head_dic = json.loads(head_json)
print(head_dic)
#head_dic={'cmd':'put','filename':'a.txt','filesize':123123}
cmd=head_dic['cmd']
if hasattr(self,cmd):
func=getattr(self,cmd)
func(head_dic)
except Exception:
break
def put(self,args):
file_path=os.path.normpath(os.path.join(
self.server_dir,
args['filename']
))
filesize=args['filesize']
recv_size=0
print('----->',file_path)
with open(file_path,'wb') as f:
while recv_size < filesize:
recv_data=self.conn.recv(self.max_packet_size)
f.write(recv_data)
recv_size+=len(recv_data)
print('recvsize:%s filesize:%s' %(recv_size,filesize))
tcpserver1=MYTCPServer(('127.0.0.1',8080))
tcpserver1.run()
#下列代码与本题无关
class MYUDPServer:
"""UDP server class."""
address_family = socket.AF_INET
socket_type = socket.SOCK_DGRAM
allow_reuse_address = False
max_packet_size = 8192
coding='utf-8'
def get_request(self):
data, client_addr = self.socket.recvfrom(self.max_packet_size)
return (data, self.socket), client_addr
def server_activate(self):
# No need to call listen() for UDP.
pass
def shutdown_request(self, request):
# No need to shutdown anything.
self.close_request(request)
def close_request(self, request):
# No need to close anything.
pass
# 客户端
import socket
import struct
import json
import os
class MYTCPClient:
address_family = socket.AF_INET
socket_type = socket.SOCK_STREAM
allow_reuse_address = False
max_packet_size = 8192
coding='utf-8'
request_queue_size = 5
def __init__(self, server_address, connect=True):
self.server_address=server_address
self.socket = socket.socket(self.address_family,
self.socket_type)
if connect:
try:
self.client_connect()
except:
self.client_close()
raise
def client_connect(self):
self.socket.connect(self.server_address)
def client_close(self):
self.socket.close()
def run(self):
while True:
inp=input(">>: ").strip()
if not inp:continue
l=inp.split()
cmd=l[0]
if hasattr(self,cmd):
func=getattr(self,cmd)
func(l)
def put(self,args):
cmd=args[0]
filename=args[1]
if not os.path.isfile(filename):
print('file:%s is not exists' %filename)
return
else:
filesize=os.path.getsize(filename)
head_dic={'cmd':cmd,'filename':os.path.basename(filename),'filesize':filesize}
print(head_dic)
head_json=json.dumps(head_dic)
head_json_bytes=bytes(head_json,encoding=self.coding)
head_struct=struct.pack('i',len(head_json_bytes))
self.socket.send(head_struct)
self.socket.send(head_json_bytes)
send_size=0
with open(filename,'rb') as f:
for line in f:
self.socket.send(line)
send_size+=len(line)
print(send_size)
else:
print('upload successful')
client=MYTCPClient(('127.0.0.1',8080))
client.run()
浙公网安备 33010602011771号