python之socket编程

客户端&服务端架构

c/s架构：即

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构(web服务)

socket给我们提供了一个接入c/s架构的接口，至于传输层使用的协议取决于我们socket接口使用的协议

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。

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。

套接字家族

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

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)

套接字工作流程

 

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

from module import *（）
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 或 SOCK_DGRAM。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)

#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

TCP协议的套接字

服务端：tcp协议套接字服务端需要知道一个连接池的概念，即同时服务端只能与一个客户端进行通信，在同时连接服务端的客户端会暂时进入连接池队列中等待，待上一个客户端结束掉与服务端的通信，依次连接池中的客户端才能接入与服务端的通信。连接池的大小与服务端的设定有关

from socket import *    ##服务端
ip_port =("127.0.0.1",8082)
back_log = 5    #设定连接池的大小
buffer_size = 1024

phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)#创建服务端套接字
phone.bind(ip_port)     #绑定地址
phone.listen(back_log)   #监听链接
while True:#外层循环用来接收不同的链接
    print("服务端开始运行了！")
    conn,addr = phone.accept()  #接收客户端链接
    print("双向链接是",conn)
    print("客户端地址",addr)

    while True:#内层循环用来基于一次链接循环通信
        try:
            msg = conn.recv(buffer_size )  #接收客户端消息
            print("客服端发来消息：",msg.decode("utf-8"))
            conn.send(msg.upper())   #发送消息至客户端
        except Exception:#异常处理用于该次通信退出结束该次链接
            break
    conn.close()#关闭客户端套接字

phone.close()   #关闭服务端套接字

客户端

from socket import *
ip_port = ("127.0.0.1",8082)
back_log = 5
buffer_size = 1024

phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)   #创建客户端套接字
phone.connect(ip_port)    #尝试链接服务端

while True:#通讯循环
    use_choose = input("请输入信息》》》：").strip()
    if not use_choose:continue
    phone.send(use_choose.encode("utf-8"))  #发送消息至服务端
    print("客户端已发送消息！")
    date = phone.recv(buffer_size)    #接收服务端返回的消息
    print("收到服务端发来的消息：",date.decode("utf-8"))
phone.close()     #关闭客户端套接字

注意：在关闭掉服务端后短时间内重启可能会遇到

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

 

#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))

UDP协议的套接字

服务端：基于UDP协议的套接字服务端与TCP协议下的套接字服务端不同，UDP协议的服务端没有连接池，可以实现即时通信，同时与多人通信

#服务端
ss = socket()   #创建一个服务器的套接字
ss.bind()       #绑定服务器套接字
inf_loop:       #服务器无限循环
     cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)
ss.close()                         # 关闭服务器套接字

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

简单示例：

时间服务器

服务端
from  socket import *
import time
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
buffer_size = (1024)
servier_clint = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)#创建服务器套接字
servier_clint.bind(ip_port)   #绑定服务器套接字

while True:
    print("等待用户接入")
    date,addr=servier_clint.recvfrom(buffer_size)  #接收客户端消息
    if  not date:
        fmt = "%Y-%m-%d-%X"
    else:
        fmt = date.decode("utf-8")
    date = time.strftime(fmt)
    servier_clint.sendto(date.encode("utf-8"),addr)


客户端
from  socket import *
ip_port = ("127.0.0.1",8080)
buffer_size = (1024)
user_clint = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)


while True:
    use_choose = input("请输入》》").strip()
    user_clint.sendto(use_choose.encode("utf-8"),ip_port)

    date,addr = user_clint.recvfrom(buffer_size)
    print(date.decode("utf-8"))

 recv与recvfrom的区别

发消息，都是将数据发送到己端的发送缓冲中，收消息都是从己端的缓冲区中收

tcp：send发消息，recv收消息

udp：sendto发消息，recvfrom收消息

1.tcp协议：

（1）如果收消息缓冲区里的数据为空，那么recv就会阻塞

（2）tcp基于链接通信，如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着结束recv将不会阻塞，收到的是空

客户端发送为空，测试结果--->验证:（1）

客户端直接终止程序，测试结果--->验证:（2）

import subprocess
from socket import *

phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)        #服务端
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
phone.listen(5)

conn,addr=phone.accept()

while True:
    data=conn.recv(1024)
    print('from client msg is ',data)
    conn.send(data.upper())

 

import subprocess
from socket import *

phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)     #客户端
phone.connect(('127.0.0.1',8080))


while True:
    msg=input('>>: ')
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('Client message has been sent')

    data=phone.recv(1024)
    print('from server msg is ',data.decode('utf-8'))
phone.close()

 

2.udp协议

（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom不会阻塞

（2）recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，数据丢失

（3）只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失

客户端发送空，看服务端结果--->验证（1）

from socket import *

ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)    #服务端
udp_server.bind(ip_port)

while True:
    data1,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
    print(data1)

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)    #客户端

while True:
    msg=input('>>: ')
    udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) #发送空,发现服务端可以接收空

分别运行服务端，客户端--->验证（2）

from socket import *

ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)   #服务端
udp_server.bind(ip_port)

data1,addr=udp_server.recvfrom(1)
print('第一次收了 ',data1)
data2,addr=udp_server.recvfrom(1)
print('第二次收了 ',data2)
data3,addr=udp_server.recvfrom(1)
print('第三次收了 ',data3)
print('--------结束----------')

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)#客户端

udp_client.sendto(b'hello',ip_port)
udp_client.sendto(b'world',ip_port)
udp_client.sendto(b'egon',ip_port)

不运行服务端，单独运行客户端，一点问题没有，但是消息丢了--->验证（3）

from socket import *

ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)    #服务端
udp_server.bind(ip_port)

data1,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
print('第一次收了 ',data1)
data2,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
print('第二次收了 ',data2)
data3,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
print('第三次收了 ',data3)
print('--------结束----------')

from socket import *
import time
ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)#客户端

udp_client.sendto(b'hello',ip_port)
udp_client.sendto(b'world',ip_port)
udp_client.sendto(b'egon',ip_port)

print('客户端发完消息啦')
time.sleep(100)

注意：

1.你单独运行上面的udp的客户端，你发现并不会报错，相反tcp却会报错，因为udp协议只负责把包发出去，对方收不收，我根本不管，而tcp是基于链接的，必须有一个服务端先运行着，客户端去跟服务端建立链接然后依托于链接才能传递消息，任何一方试图把链接摧毁都会导致对方程序的崩溃。

2.上面的udp程序，你注释任何一条客户端的sendinto，服务端都会卡住，为什么？因为服务端有几个recvfrom就要对应几个sendinto，哪怕是sendinto(b'')那也要有。

3.总结：

1.udp的sendinto不用管是否有一个正在运行的服务端，可以己端一个劲的发消息

2.udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对一个一个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

3.tcp的协议数据不会丢，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

首先明白一点，socket不管是服务端还是客户端收发消息都是首先与各自的内核态进行交互，然后再通过网卡进行数据传输

                                          

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。

1. 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。
   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。
   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

两种情况下会发生粘包。

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）

from socket import *    #服务端
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()

import socket    #客户端
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'))

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） 

from socket import *    #服务端
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'))

import socket    #客户端
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

当应用程序一次性发送的数据大于缓冲区的长度的时候，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

 

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