Python之socket编程
=======================摘自https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/6129246.html ======================
一、SOCKET编程
1、软件架构：软件架构分为c/s和b/s架构，即客户端/服务器和浏览器/服务器的模式。
学习socket就是为了完成c/s架构的编程；
2、OSI七层协议
常见的osi七层协议也叫TCP/IP四层或者TCP/IP五层协议
每层对应的物理设备
3、网络协议
c/s架构的软件是基于网络进行通信的，网络的核心就是一堆协议，协议即标准，想要开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些协议；
在OSI七层协议中，socket层位于应用层和传输层的中间；
4、socket
socket是应用层与TCP/IP协议簇通信的中间软件抽象层，它是一组接口。它把复杂的TCP/IP协议簇隐藏在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；
常见的套接字家族
（1）、基于文件类型的套接字家族：AF_UNIX
unix一切皆文件，基于文件的套接字调用就是底层的文件系统来去数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问一个文件
系统间接完成通讯；
（2）、基于网络类型的套接字家族：AF_INET
（3）、socket套接字工作原理
服务器端先初始化socket，然后与端口绑定（bind），对端口进行监听（listen），调用accept阻塞，
等待客户端连接。客户端初始化一个socket，然后连接服务器（connect），如果连接成功，这是客户端与服务器端的的连接就建立了。
客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，依次交互结束。
（4）、套接字通信原理
（4）、socket套接字函数
import socket s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) """ a、服务器端套接字函数 s.bind() 绑定（主机端口）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 b、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，出错时返回错误码，而不是抛出异常 c、公共用途的套接字函数 s.recv() 接受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，数据不会丢失，循环调用send知道发完） 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.getsocname()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 d、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.timeout()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 e、面向文件的套接字函数 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 """
5、基于TCP的套接字
（1）、一次性通信
server端
###
###导入socket
import socket
###socket实例化
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
print(phone)
###绑定ip、端口
phone.bind(("127.0.0.1",8000))
###连接数
phone.listen(5)
###相当于TCP连接
conn,addr =phone.accept()
###接收信息
msg = conn.recv(1024)
print("服务器接收到客户端的信息为：%s" %msg)
###发送信息
conn.send(msg.upper())
###关闭连接
conn.close()
###挂壁socket
phone.close()
client端
import socket
####socket实例化
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
##连接服务器
phone.connect(("172.81.251.35",8000))
###发送消息
phone.send("hello".encode("utf-8"))
###接收消息
data = phone.recv(1024)
print("收到服务端的发来的消息：" ,data)
（2）、循环通信
server端
###
###导入socket
import socket
###socket实例化
tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
print(tcp_server)
###绑定ip、端口
ip_port = ("127.0.0.1",8000)
tcp_server.bind(ip_port)
###连接数
tcp_server.listen(5)
###相当于TCP连接
while True: ###链接循环
print("服务端已经开始运行了！！！！")
conn,addr =tcp_server.accept()
print(conn,addr)
###接收信息
print("正在等在接收客户端数据！！！！")
while True: ###通讯循环
try:
server_rev_data = conn.recv(1024)
print("服务器接收到客户端的信息为：",server_rev_data.decode("utf-8"))
###发送信息
conn.send(server_rev_data.upper())
except Exception:
break
###关闭连接
conn.close()
###挂壁socket
tcp_server.close()
client端
import socket
####socket实例化
tcp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
##连接服务器
ip_port = ("127.0.0.1",8000)
tcp_client.connect(ip_port)
print(tcp_client)
###发送消息
while True: ###循环通信
msg_send = input("请输入你访问服务器的资源：")
if not msg_send:continue ###为空处理
tcp_client.send(msg_send.encode("utf-8"))
###接收消息
data = tcp_client.recv(1024)
print("客户端接收到服务端返回的资源：",data.decode("utf-8"))
tcp_client.close()
备注：在重启服务端的时候可能会遇到Address Already in use的错误：
这是由于服务器端存在四次挥手的time_wait状态占用地址（在TCP三次握手，四次挥手、syn洪水攻击，服务器高并发的情况下会有大量的time_wait状态）
###优化方法：在实例socket与绑定ip、端口的中间加上
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
6、基于UDP套接字
（1）、udp套接字
server端
from socket import *
udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
udp_server.bind(ip_port)
buffer_size = 1024
while True:
print("服务器开始接收消息！！！")
data_rev,addr= udp_server.recvfrom(buffer_size)
print(data_rev)
data_send = udp_server.sendto(data_rev.upper(),addr)
client端
from socket import *
udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
buffer_size = 1024
while True:
msg_client = input("请输入需要发送的消息：")
udp_client.sendto(msg_client.encode("utf-8"),ip_port)
print(udp_client.recvfrom(buffer_size))
（2）、时间服务器
server端
from socket import *
import time
udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
udp_server.bind(ip_port)
buffer_size = 1024
while True:
print("服务器开始接收消息！！！")
data_rev,addr= udp_server.recvfrom(buffer_size)
print(data_rev)
back_time = time.strftime("%Y-$m-%d %X")
data_send = udp_server.sendto(back_time.encode("utf-8"),addr)
client端
from socket import *
udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
buffer_size = 1024
while True:
msg_client = input("请输入需要发送的消息：")
udp_client.sendto(msg_client.encode("utf-8"),ip_port)
print(udp_client.recvfrom(buffer_size))
7、粘包现象
（1）、远程执行命令-tcp套接字
server端
import socket
import subprocess
cmd_server =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
cmd_server.bind(ip_port)
cmd_server.listen(10)
buffer_size =1024
while True:
conn,addr = cmd_server.accept()
while True:
try:
print("==============》》》》开始接收命令")
cmd = conn.recv(buffer_size)
res = subprocess.Popen(cmd.decode("gbk"),shell=True,
stderr=subprocess.PIPE,
stdout= subprocess.PIPE,
stdin=subprocess.PIPE)
print("=======》》》接收到的命令是：",cmd)
err = res.stderr.read()
if err:
cmd_res = err
else:
cmd_res = res.stdout.read()
if not cmd_res:
cmd_res = "命令执行成功!!!".encode("gbk")
conn.send(cmd_res)
except Exception:
break
conn.close()
client端
import socket
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
buffer_size =1024
cmd_client =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
cmd_client.connect(ip_port)
while True:
cmd = input("命令输入行：").strip()
if not cmd:continue
if cmd =="quit":break
cmd_client.send(cmd.encode("utf-8"))
cmd_res = cmd_client.recv(buffer_size)
print(cmd_res.decode("gbk"))
备注：在远程执行命令的程序中，可能会出现粘包现象：执行下一条命令显示的是上一条命令的结果
（2）、粘包现象
a、只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包
发送端可以使1k1k地发送数据，而接收端的应用程序可以2k2k地提走数据，当然也有可能一次提走3k或5k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，或者是一个流（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是不同的。怎样定义消息呢？可以认为堆放一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条消息的时候，
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。
例如基于TCP套接字的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，在接收方看来，根本不知道
文件的字节流从何处开始，在何处结束。所谓的粘包问题还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据造成的。
此外，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。
a.1、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。
a.2、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。
a.3、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，实验略
udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendinto(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。
b、发生粘包的两种情况
第一种情况：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，或合并到一起，产生粘包）
server端
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()
client端
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('world'.encode('utf-8'))
s.send('python'.encode('utf-8'))
第二种情况：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，服务器端只接收了一小部分，服务器端下次再接收的时候还是
从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）
server端
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()
client端
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 world'.encode('utf-8'))
备注1：send和recv（1024）以及sendall
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。
c、解决粘包的方法
将发送方发送的长度告知接收方，然后对接收到的数据的长度与接收到的长度进行比较；
c.1、第一版：
server端
#!/usr/bin/env python
# _*_ coding:utf-8 _*_
from socket import *
import subprocess
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
back_log = 5
buffer_size = 1024
cmd_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
cmd_server.bind(ip_port)
cmd_server.listen(back_log)
while True:
conn,add = cmd_server.accept()
while True:
msg = conn.recv(buffer_size)
print("从客户端接收到命令：",msg)
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_lentht = len(ret)
conn.send(str(data_lentht).encode("utf-8"))
data = conn.recv(buffer_size).decode("utf-8")
if data == "recv_ready":
conn.sendall(ret)
conn.close()
client端
#!/usr/bin/env python
# _*_ coding:utf-8 _*_
from socket import *
import subprocess
ip_port = ("172.81.251.35",8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024
cmd_client= socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
cmd_client.connect(ip_port)
while True:
msg = input("请输入你要执行的命令:").strip()
if len(msg) == 0:continue
if msg == "quit":break
cmd_client.send(msg.encode("utf-8"))
lenght = int(cmd_client.recv(buffer_size).decode("utf-8"))
cmd_client.send("recv_ready".encode("utf-8"))
send_size = 0
recv_size = 0
data = b""
while recv_size<lenght:
data+=cmd_client.recv(buffer_size)
recv_size=len(data)
print(data.decode("utf-8"))
c.2、第二版
为字节流加上自定义固定长度报头，报头中包含字节流长度，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取出真实数据；
c.2.1、struct模块
该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes；
下表为struct模块的格式与python类型的对照表
struct的用法
from socket import *
import json,struct
ip_port = ("172.81.251.35",8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024
cmd_client= socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
cmd_client.connect(ip_port)
conn,add =cmd_client.accept()
#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(json.dumps(header)) #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)
对粘包处理方法进行优化：
server端
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()
###发送自定义报头长度
conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容
conn.close()
client端
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
import socket,time,struct
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'))
###接收自定义报头
l=s.recv(4)
x=struct.unpack('i',l)[0] ##反解自定义报头长度，
print(type(x),x)
# print(struct.unpack('I',l))
r_s=0 ###接收实质报文的处理
data=b''
while r_s < x:
r_d=s.recv(1024)
data+=r_d
r_s+=len(r_d)
# print(data.decode('utf-8'))
print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码
浙公网安备 33010602011771号