Python网络编程
套接字socket介绍
简单理解socket
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。
其实站在你的角度上看，socket就是一个模块。我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的连接和通信。
也有人将socket说成ip+port，因为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。
所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序，并且使用socket模块来与之通信。
TCP/UDP协议
TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用TCP的应用：Web浏览器；电子邮件、文件传输程序。
UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用UDP的应用：域名系统 (DNS)；视频流；IP语音(VoIP)。
套接字（socket）使用
基于TCP协议的socket
tcp是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去链接服务端
#server端
import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8898)) #把地址绑定到套接字
sk.listen() #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024) #接收客户端信息
print(ret) #打印客户端信息
conn.send(b'hi') #向客户端发送信息
conn.close() #关闭客户端套接字
sk.close() #关闭服务器套接字(可选)
#client 客户端
import socket
sk = socket.socket() # 创建客户套接字
sk.connect(('127.0.0.1',8898)) # 尝试连接服务器
sk.send(b'hello!')
ret = sk.recv(1024) # 对话(发送/接收)
print(ret)
sk.close() # 关闭客户套接字
问题一：当我们重启服务端时可能会遇到
#加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
sk.bind(('127.0.0.1',8898)) #把地址绑定到套接字
sk.listen() #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024) #接收客户端信息
print(ret) #打印客户端信息
conn.send(b'hi') #向客户端发送信息
conn.close() #关闭客户端套接字
sk.close() #关闭服务器套接字(可选)
基于UDP协议的socket
udp是无链接的，启动服务之后可以直接接受消息，不需要提前建立链接
#Server
import socket
udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) #创建一个服务器的套接字
udp_sk.bind(('127.0.0.1',9000)) #绑定服务器套接字
msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024)
print(msg)
udp_sk.sendto(b'hi',addr) # 对话(接收与发送)
udp_sk.close() # 关闭服务器套接字
#client端
import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
udp_sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
udp_sk.sendto(b'hello',ip_port)
back_msg,addr=udp_sk.recvfrom(1024)
print(back_msg.decode('utf-8'),addr)
开发基于udp简单聊天程序
#server
import socket
ip_port = ('127.0.0.1',8889)
udp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
udp_server.bind(ip_port)
while True:
msg,addr = udp_server.recvfrom(1024)
print('来自%s:%s 的一条消息：%s' %(addr[0],addr[1],msg.decode('utf-8')))
use_msg = input("回复消息：").strip()
udp_server.sendto(use_msg.encode('utf-8'),addr)
#client端
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
qq_name_dic={
'yanghao':('127.0.0.1',8889),
'yangyang':('127.0.0.1',8889),
'taibai':('127.0.0.1',8889),
'xiaoxue':('127.0.0.1',8889),
}
print(qq_name_dic)
while True:
qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip()
while True:
msg=input('请输入消息,回车发送,输入q结束和他的聊天: ').strip()
if msg == 'q':break
if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name])
back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
print('来自[%s:%s]的一条消息:%s' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))
udp_client_socket.close()
Socket参数详解
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。 |
|
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。 |
|
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。 |
TCP黏包
黏包的原因
tcp协议的拆包机制
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。
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。
TCP协议特点和黏包原因
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。
怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条信息的时候，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，在接收方看了，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束
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。
UDP不会发生黏包
#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。
#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。
#不可靠不黏包的udp协议：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。
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，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据了很小，会合到一起，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
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('what'.encode('utf-8'))
s.close()
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）
#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 egg'.encode('utf-8'))
s.close
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，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的
黏包的解决方案
问题的根源在于，接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度，所以解决粘包的方法就是围绕，如何让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，
我们可以借助一个模块，这个模块可以把要发送的数据长度转换成固定长度的字节。这样客户端每次接收消息之前只要先接受这个固定长度字节的内容看一看接下来要接收的信息大小，那么最终接受的数据只要达到这个值就停止，就能刚好不多不少的接收完整的数据了。
struct模块
该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes
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(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)
使用struct解决黏包
借助struct模块，我们知道长度数字可以被转换成一个标准大小的4字节数字。因此可以利用这个特点来预先发送数据长度。
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发送时 |
接收时 |
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先发送struct转换好的数据长度4字节 |
先接受4个字节使用struct转换成数字来获取要接收的数据长度 |
|
再发送数据 |
再按照长度接收数据 |
#server端
import socket,struct,jsonimport 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()
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
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'))
l=s.recv(4)
x=struct.unpack('i',l)[0]
print(type(x),x)
# print(struct.unpack('I',l))
r_s=0
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
我们还可以把报头做成字典，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struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）
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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 |
#server端
import socket,struct,jsonimport 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)}
head_json=json.dumps(headers)
head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')
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()
#client端
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)
head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
data_len=head_json['data_size']
recv_size=0
recv_data=b''
while recv_size < data_len:
recv_data+=client.recv(1024)
recv_size+=len(recv_data)
print(recv_data.decode('utf-8'))
#print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码
socket更多使用方法
#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
socketserver
socket不能和多个客户端通信，这里便通过socketserver来实现和多个客户端通信
#server端
import socketserver
#必须继承socketserver.BaseRequestHandler
class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
def handle(self): #必须有个和父类相同的handle方法
conn = self.request #从父类中拿到conn
addr = self.client_address #从父类中拿到addr
while True:
conn.send(b'hello')
print(conn.recv(1024),addr[1])
if __name__ == '__main__':
#添加ip地址及端口将Myserver类传入并实例化这个类
server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',9990),Myserver)
server.serve_forever() #启动
#client
import socket
sk = socket.socket()
sk.connect(('127.0.0.1',9990))
while True:
print(sk.recv(1024))
sk.send(b'dsadsad')
sk.close
