网络编程（二）之socket编程基础
学习socket先了解互联网协议的原因
1、C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的
2、网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。
socket是什么
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。
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
socket（）模块用法
1 import socket 2 socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0) 3 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。 4 5 获取tcp/ip套接字 6 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 7 8 获取udp/ip套接字 9 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) 10 11 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。 12 例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)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的套接字
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
tcp服务端
1 ss = socket() #创建服务器套接字 2 ss.bind() #把地址绑定到套接字 3 ss.listen() #监听链接 4 inf_loop: #服务器无限循环 5 cs = ss.accept() #接受客户端链接 6 comm_loop: #通讯循环 7 cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送) 8 cs.close() #关闭客户端套接字 9 ss.close() #关闭服务器套接字(可选)
tcp客户端
1 cs = socket() # 创建客户套接字 2 cs.connect() # 尝试连接服务器 3 comm_loop: # 通讯循环 4 cs.send()/cs.recv() # 对话(发送/接收) 5 cs.close() # 关闭客户套接字
socket通信流程实例
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',8081)#电话卡 BUFSIZE=1024 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机 s.bind(ip_port) #手机插卡 s.listen(5) #手机待机 while True: #新增接收链接循环,可以不停的接电话 conn,addr=s.accept() #手机接电话 # print(conn) # print(addr) print('接到来自%s的电话' %addr[0]) while True: #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息 msg=conn.recv(BUFSIZE) #听消息,听话 # if len(msg) == 0:break #如果不加,那么正在链接的客户端突然断开,recv便不再阻塞,死循环发生 print(msg,type(msg)) conn.send(msg.upper()) #发消息,说话 conn.close() #挂电话 s.close() #手机关机
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',8081) BUFSIZE=1024 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.connect_ex(ip_port) #拨电话 while True: #新增通信循环,客户端可以不断发收消息 msg=input('>>: ').strip() if len(msg) == 0:continue s.send(msg.encode('utf-8')) #发消息,说话(只能发送字节类型) feedback=s.recv(BUFSIZE) #收消息,听话 print(feedback.decode('utf-8')) s.close() #挂电话
粘包问题
粘包只有在tcp协议存在，在udp里面不存在粘包现象。
TCP协议又叫流水协议，使用TCP协议客户端与服务端之间建立联系必须先在二者之间建立链接，形成一个可以用来通信的管道，一般我们都会将缓冲区内的码率大小调整为1024，如果二者之间传输的包内容太大的话，一次传输不能将管道内的内容传输完毕，那么接下来输入其他命令的话也会优先将管道内的内容传输过来，这就形成了粘包。
基于TCP协议的粘包
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
from socket import *
import subprocess
ip_port=('127.0.0.1',8080)
BUFSIZE=1024
tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)
while True:
conn,addr=tcp_socket_server.accept()
print('客户端',addr)
while True:
cmd=conn.recv(BUFSIZE)
if len(cmd) == 0:break
res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
stdout=subprocess.PIPE,
stdin=subprocess.PIPE,
stderr=subprocess.PIPE)
stderr=act_res.stderr.read()
stdout=act_res.stdout.read()
conn.send(stderr)
conn.send(stdout)
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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)
while True:
msg=input('>>: ').strip()
if len(msg) == 0:continue
if msg == 'quit':break
s.send(msg.encode('utf-8'))
act_res=s.recv(BUFSIZE)
print(act_res.decode('utf-8'),end='')
socket通信原理
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
所谓粘包问题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。
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。
- 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，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。
两种情况下的粘包
1、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）
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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()
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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('feng'.encode('utf-8'))
2、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）
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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()
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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 feng'.encode('utf-8'))
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。
补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输
基于tcp的数据传输请参考我的另一篇文章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
解决粘包问题
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，然后再取真实数据
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)
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)}
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()
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
基于UDP协议的套接字（数据报协议）没有粘包问题
UDP协议与TCP协议是刚好相反的，使用UDP协议进行通信是不需要建立链接的，在TCP中进行通信必须先要启动服务端才可以，但是在UDP当中就没有这样的限制，无论我们先启动那一端都没有问题
UDP服务端
1 ss = socket() #创建一个服务器的套接字 2 ss.bind() #绑定服务器套接字 3 inf_loop: #服务器无限循环 4 cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送) 5 ss.close() # 关闭服务器套接字
UDP客户端
cs = socket() # 创建客户套接字 comm_loop: # 通讯循环 cs.sendto()/cs.recvfrom() # 对话(发送/接收) cs.close() # 关闭客户套接字
UDP示例
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) BUFSIZE=1024 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) udp_server_client.bind(ip_port) while True: msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE) print(msg,addr) udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) BUFSIZE=1024 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE) print(back_msg.decode('utf-8'),addr)
作者信息
Sean
Stay hungry,Stay foolish.
