基于TCP协议的socket套接字编程

基于TCP协议的socket套接字编程

一、什么是Scoket

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。

注意：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。

二、套接字发展史及分类

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。

2.1 基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX 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

2.2 基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：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)

三、套接字工作流程

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理。

先从服务器端说起。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。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。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，一次交互结束，使用以下Python代码实现：

import socket

# socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是
# SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填，默认值为 0
socket.socket(socket_family, socket_type, protocal=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
tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

3.1 服务端套接字函数

方法	用途
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

3.2 客户端套接字函数

方法	用途
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

3.3 公共用途的套接字函数

方法	用途
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

3.4 面向锁的套接字方法

方法	用途
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

3.5 面向文件的套接字的函数

方法	用途
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

四、基于TCP协议的套接字编程(简单)

可以通过netstat -an | findstr 8080查看套接字状态

4.1 服务端

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  # tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)

#2、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8081))

#3、开机
phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数

#4、等待电话连接
print('start....')
conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））
print(conn)
print(client_addr)

#5、通信：收\发消息
data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数
print('来自客户端的数据', data)
conn.send(data.upper())

# import time
# time.sleep(500)
#6、挂掉电话连接
conn.close()

#7、关机
phone.close()

4.2 客户端

import socket
# socket.AF
#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print(phone)
#2、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8081))  # 指定服务端ip和端口

#3、通信：发\收消息
phone.send('hello'.encode('utf-8'))
# phone.send(bytes('hello',encoding='utf-8'))
data = phone.recv(1024)
print(data)

# import time
# time.sleep(500)
#4、关闭
phone.close()

五、基于TCP协议的套接字编程(循环)

5.1 服务端

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)

#2、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))

#3、开机
phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数

#4、等待电话连接
print('start....')
while True:  # 连接循环
    conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））
    # print(conn)
    print('已经有一个连接建立成功', client_addr)

    #5、通信：收\发消息
    while True:  # 通信循环
        try:
            print('服务端正在收数据...')
            data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数，没有数据会在原地一直等待收，
            					  #即发送者发送的数据量必须>0bytes
            # print('===>')
            if len(data) == 0: break  #在客户端单方面断开连接，服务端才会出现收空数据的情况
            print('来自客户端的数据', data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break
    #6、挂掉电话连接
    conn.close()

#7、关机
phone.close()

5.2 客户端1

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#2、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口

#3、通信：发\收消息
while True:  # 通信循环
    msg = input('>>: ').strip()  #msg=''
    if len(msg) == 0: continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    # print('has send----->')
    data = phone.recv(1024)
    # print('has recv----->')
    print(data)

#4、关闭
phone.close()

5.3 客户端2

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#2、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口

#3、通信：发\收消息
while True:  # 通信循环
    msg = input('>>: ').strip()
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    data = phone.recv(1024)
    print(data)

#4、关闭
phone.close()

六、地址占用问题

有的同学在重启服务端时可能会遇到：

这个是由于你的服务端仍然存在四次挥手的time_wait状态在占用地址（如果不懂，请深入研究1.tcp三次握手，四次挥手 2.syn洪水攻击 3.服务器高并发情况下会有大量的time_wait状态的优化方法）

6.1 方法一

# 加入一条socket配置，重用ip和端口

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))

6.2 方法二(Linux)

发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接，通过调整linux内核参数解决，
vi /etc/sysctl.conf

编辑文件，加入以下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
 
然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。
 
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，
启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新
的TCP连接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，
默认为0，表示关闭。

net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间