第 9 章网络编程

一、客户端/服务器架构

1、硬件C/S架构（打印机）

2、软件C/S架构

互联网中处处是C/S架构

如网站是服务端，浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种）

腾讯作为服务端提供视频，得下载个腾讯视频客户端才能看它的视频。

C/S 架构与socket 的关系：

socket就是为了完成C/S架构的开发

二、OSI 七层

须知一个完整的计算机系统是由硬件，操作系统，应用软件三者组成，具备了这个三个条件，一台计算机系统就可以自己跟自己玩了（打个单机游戏，玩个扫雷）

如果要跟别人一起玩，那就需要连接互联网。

互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，比如全世界人通信的标准是英语

如果把计算机比作人，互联网协议就是计算机界的英语，所有的计算机都学会了互联网协议，那所有的计算机都可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。

人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级

详见网络通信原理：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html

学习socket一定要先学习互联网协议：

1、首先：基于socket编程，就是基于socket来开发一款自己的C/S架构软件

2、其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

3、然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

4、最后：就让我们从这些标准开始研究，开启socket编程之旅。

三、socket层

在上图中，没有看到socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。

四、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。

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

socket通俗解释

五、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，这也被称为进程间通讯或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。

基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unlx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，他们要么是只用与某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我们只使用AF_INET)

六、套接字工作流程

一个生活中的场景。你要打电话给你一个朋友，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，生活中场景就解释了这个工作原理。

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，客户端发生数据请求，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（）模块函数用法

 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.connet_ex() connect（）函数的扩展版本，出错是返回错误码。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() 连接当前套接字的远端的地址

s.getsockename() 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

s.makefile() 创建一个与该套接字相关的文件

 1 1：用打电话的流程快速描述socket通信
 2 2：服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信
 3 3：客户端发送空，卡主，证明是从哪个位置卡的
 4 服务端：
 5 from socket import *
 6 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 7 phone.bind(('127.0.0.1',8081))
 8 phone.listen(5)
 9 
10 conn,addr=phone.accept()
11 while True:
12     data=conn.recv(1024)
13     print('server===>')
14     print(data)
15     conn.send(data.upper())
16 conn.close()
17 phone.close()
18 客户端：
19 from socket import *
20 
21 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
22 phone.connect(('127.0.0.1',8081))
23 
24 while True:
25     msg=input('>>: ').strip()
26     phone.send(msg.encode('utf-8'))
27     print('client====>')
28     data=phone.recv(1024)
29     print(data)
30 
31 说明卡的原因：缓冲区为空recv就卡住，引出原理图
32 
33 
34 
35 4.演示客户端断开链接，服务端的情况，提供解决方法
36 
37 5.演示服务端不能重复接受链接，而服务器都是正常运行不断来接受客户链接的
38 
39 6:简单演示udp
40 服务端
41 from socket import *
42 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
43 phone.bind(('127.0.0.1',8082))
44 while True:
45     msg,addr=phone.recvfrom(1024)
46     phone.sendto(msg.upper(),addr)
47 客户端
48 from socket import *
49 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
50 while True:
51     msg=input('>>: ')
52     phone.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8082))
53     msg,addr=phone.recvfrom(1024)
54     print(msg)
55 
56 udp客户端可以并发演示
57 udp客户端可以输入为空演示，说出recvfrom与recv的区别，暂且不提tcp流和udp报的概念

socket实验推演流程

七、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通信流程与打电话流程类似，就以打电话为例来实现一个low版的套接字通信

 1 import socket
 2 #买手机
 3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 #插卡
 5 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 6 #开机
 7 phone.listen(5)
 8 #等电话链接
 9 print('server start...')
10 conn,client_addr=phone.accept() #(tcp链接,client_addr)
11 print('链接',conn)
12 print(client_addr)
13 
14 #基于建立的链接，收发消息
15 client_data=conn.recv(1024)
16 print('客户端的消息',client_data)
17 conn.send(client_data.upper())
18 
19 #挂电话链接
20 conn.close()
21 
22 #关机
23 phone.close()

服务端

 1 import socket
 2 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 3 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
 4 
 5 
 6 phone.send('hello'.encode('utf-8'))
 7 server_data=phone.recv(1024)
 8 print('服务端回应的消息',server_data)
 9 
10 phone.close()

客户端

加上链接循环与通信循环

 1 #买手机
 2 import socket
 3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 
 5 #插卡
 6 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 7 
 8 
 9 #开机
10 phone.listen(5)
11 
12 
13 #等待电话
14 while True:  #链接循环
15     print('sever start....')
16     conn,client_addr=phone.accept()
17     print('链接',conn)
18     print(client_addr)
19 
20     #基于建立链接，进行收发信息
21     while True: #通讯循环
22         try:  #针对windows 系统
23             client_data=conn.recv(1024)
24             if not client_data:break  #针对linux系统
25             print(client_data)
26             conn.send(client_data.upper())
27         except Exception:
28               break
29 
30     #挂断电话链接
31     conn.close()
32 
33 #关机
34 phone.close()

服务端

 1 #买电话
 2 import socket
 3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 
 5 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
 6 
 7 
 8 while True:
 9     msg=input('>>：').strip()
10     if msg == '':continue
11     phone.send(msg.encode('utf-8'))
12     server_data=phone.recv(1024)
13     print(server_data.decode('utf-8'))
14 
15 phone.close()

客户端

问题：

在重启服务端时可能会遇到

这个是由于服务端仍然存在四次会瘦的time_wait状态在占用地址（如果不懂，请深入研究1.tcp上次握手，四次挥手，以及tcp/ip的12种有机状态 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）

解决方法：

1 #加入一条socket配置，重用ip和端口
2 
3 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
4 phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
5 phone.bind(('127.0.0.1',8080))

方法一

 1 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，
 2 vi /etc/sysctl.conf
 3 
 4 编辑文件，加入以下内容：
 5 net.ipv4.tcp_syncookies = 1
 6 net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
 7 net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
 8 net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
 9  
10 然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。
11  
12 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；
13 
14 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；
15 
16 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。
17 
18 net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间
19 
20 方法二

方法二

基于udp的套接字

udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错

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

1 cs = socket()   # 创建客户套接字
2 comm_loop:      # 通讯循环
3     cs.sendto()/cs.recvfrom()   # 对话(发送/接收)
4 cs.close()                      # 关闭客户套接字

udp套接字简单示例

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 ip_port=('127.0.0.1',9000)
 5 BUFSIZE=1024
 6 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 7 
 8 udp_server_client.bind(ip_port)
 9 
10 while True:
11     msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
12     print(msg,addr)
13 
14     udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)
15 
16 udp服务端

udp服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 ip_port=('127.0.0.1',9000)
 5 BUFSIZE=1024
 6 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 7 
 8 while True:
 9     msg=input('>>: ').strip()
10     if not msg:continue
11 
12     udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
13 
14     back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
15     print(back_msg.decode('utf-8'),addr)
16 
17 udp客户端

udp客户端

QQ聊天（由于udp无连接，所以可以同时多个客户端跟服务端通信）

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 ip_port=('127.0.0.1',8081)
 5 udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机
 6 udp_server_sock.bind(ip_port)
 7 
 8 while True:
 9     qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)
10     print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8')))
11     back_msg=input('回复消息: ').strip()
12 
13     udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)
14 
15 udp服务端

udp服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 BUFSIZE=1024
 5 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 6 
 7 qq_name_dic={
 8     '狗哥alex':('127.0.0.1',8081),
 9     '瞎驴':('127.0.0.1',8081),
10     '一棵树':('127.0.0.1',8081),
11     '武大郎':('127.0.0.1',8081),
12 }
13 
14 
15 while True:
16     qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip()
17     while True:
18         msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip()
19         if msg == 'quit':break
20         if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
21         udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name])
22 
23         back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
24         print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))
25 
26 udp_client_socket.close()
27 
28 udp客户端1

udp客户端1

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 BUFSIZE=1024
 5 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 6 
 7 qq_name_dic={
 8     '狗哥alex':('127.0.0.1',8081),
 9     '瞎驴':('127.0.0.1',8081),
10     '一棵树':('127.0.0.1',8081),
11     '武大郎':('127.0.0.1',8081),
12 }
13 
14 
15 while True:
16     qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip()
17     while True:
18         msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip()
19         if msg == 'quit':break
20         if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
21         udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name])
22 
23         back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
24         print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))
25 
26 udp_client_socket.close()
27 
28 udp客户端2

udp客户端2

服务端运行结果

客户端1运行结果

客户端2运行结果

时间服务器

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 from socket import *
 4 from time import strftime
 5 
 6 ip_port=('127.0.0.1',9000)
 7 bufsize=1024
 8 
 9 tcp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
10 tcp_server.bind(ip_port)
11 
12 while True:
13     msg,addr=tcp_server.recvfrom(bufsize)
14     print('===>',msg)
15     
16     if not msg:
17         time_fmt='%Y-%m-%d %X'
18     else:
19         time_fmt=msg.decode('utf-8')
20     back_msg=strftime(time_fmt)
21 
22     tcp_server.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)
23 
24 tcp_server.close()
25 
26 ntp服务端

ntp服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 from socket import *
 4 ip_port=('127.0.0.1',9000)
 5 bufsize=1024
 6 
 7 tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
 8 
 9 
10 
11 while True:
12     msg=input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip()
13     tcp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
14 
15     data=tcp_client.recv(bufsize)
16 
17     print(data.decode('utf-8'))
18 
19 tcp_client.close()
20 
21 ntp客户端

ntp客户端

八、粘包现象

让我基于tcp先制作一个远程执行命令的程序（1：执行错误命令，2：执行ls 3:执行ifconfig）

注意：

res=subprocess.Poen(cmd.decode('urf-8),

shell=True,

stderr=subprocess.PIPE,

stdout=subprocess.PIPE)

的结果的编码是以当前所在的系统为准的，如果是windows，那么res.stdout.read()读出的就是GBK编码的，在接收端需要用GBK解码

且只能从管道里读出一次结果

注意：命令ls -l;lllll；pwd的结果是既有正确的stdout结果，又有错误stderr结果

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 from socket import *
 3 import subprocess
 4 
 5 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 6 BUFSIZE=1024
 7 
 8 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 9 tcp_socket_server.bind(ip_port)
10 tcp_socket_server.listen(5)
11 
12 while True:
13     conn,addr=tcp_socket_server.accept()
14     print('客户端',addr)
15 
16     while True:
17         cmd=conn.recv(BUFSIZE)
18         if len(cmd) == 0:break
19 
20         res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
21                          stdout=subprocess.PIPE,
22                          stdin=subprocess.PIPE,
23                          stderr=subprocess.PIPE)
24 
25         stderr=act_res.stderr.read()
26         stdout=act_res.stdout.read()
27         conn.send(stderr)
28         conn.send(stdout)
29 
30 服务端

服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket
 4 BUFSIZE=1024
 5 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 6 
 7 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 8 res=s.connect_ex(ip_port)
 9 
10 while True:
11     msg=input('>>: ').strip()
12     if len(msg) == 0:continue
13     if msg == 'quit':break
14 
15     s.send(msg.encode('utf-8'))
16     act_res=s.recv(BUFSIZE)
17 
18     print(act_res.decode('utf-8'),end='')

客户端

上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包

让我们再基于udp制作一个远程执行命令的程序

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 
 4 #_*_coding:utf-8_*_
 5 __author__ = 'Linhaifeng'
 6 from socket import *
 7 import subprocess
 8 
 9 ip_port=('127.0.0.1',9003)
10 bufsize=1024
11 
12 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
13 udp_server.bind(ip_port)
14 
15 while True:
16     #收消息
17     cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
18     print('用户命令----->',cmd)
19 
20     #逻辑处理
21     res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
22     stderr=res.stderr.read()
23     stdout=res.stdout.read()
24 
25     #发消息
26     udp_server.sendto(stderr,addr)
27     udp_server.sendto(stdout,addr)
28 udp_server.close()
29 
30 服务端

服务端

 1 from socket import *
 2 ip_port=('127.0.0.1',9003)
 3 bufsize=1024
 4 
 5 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
 6 
 7 
 8 while True:
 9     msg=input('>>: ').strip()
10     udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
11 
12     data,addr=udp_client.recvfrom(bufsize)
13     print(data.decode('utf-8'),end='')
14 
15 客户端

客户端

上述程序是基于udp的socket，在运行时永远不会发生粘包

九、什么是粘包

须知：只有tcp有粘包现象，udp永远不会粘包，为何，首先需要掌握一个socket收发消息的原理。

发送端可以是1K-1k的发送数据，而接收端的应用程序可以俩k俩k地提走数据，当然也有可能一次提走3K或者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。

拆包的发生情况

当发送端缓存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送对端，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，然后由协议控制缓存内容发送对端，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

十、解决粘包的low比处理方法

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大小总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据。

low版本的解决方法

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket,subprocess
 4 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 5 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 6 s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
 7 
 8 s.bind(ip_port)
 9 s.listen(5)
10 
11 while True:
12     conn,addr=s.accept()
13     print('客户端',addr)
14     while True:
15         msg=conn.recv(1024)
16         if not msg:break
17         res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,\
18                             stdin=subprocess.PIPE,\
19                          stderr=subprocess.PIPE,\
20                          stdout=subprocess.PIPE)
21         err=res.stderr.read()
22         if err:
23             ret=err
24         else:
25             ret=res.stdout.read()
26         data_length=len(ret)
27         conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
28         data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
29         if data == 'recv_ready':
30             conn.sendall(ret)
31     conn.close()
32 
33 服务端

服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket,time
 4 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))
 6 
 7 while True:
 8     msg=input('>>: ').strip()
 9     if len(msg) == 0:continue
10     if msg == 'quit':break
11 
12     s.send(msg.encode('utf-8'))
13     length=int(s.recv(1024).decode('utf-8'))
14     s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
15     send_size=0
16     recv_size=0
17     data=b''
18     while recv_size < length:
19         data+=s.recv(1024)
20         recv_size+=len(data)
21 
22 
23     print(data.decode('utf-8'))
24 
25 客户端

客户端

为何low：

程序的运行速度快于网络传输速度，所以在发送一段字节前，先用send去发送该字节流长度，这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗。

十一、解决粘包的方法

为字节流加上自定义固定长度报头，然后再取真实数据。

struct 模块

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

 1 import json,struct
 2 #假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt
 3 
 4 #为避免粘包,必须自定制报头
 5 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
 6 
 7 #为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes
 8 head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成bytes,用于传输
 9 
10 #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
11 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
12 
13 #客户端开始发送
14 conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes
15 conn.send(head_bytes) #再发报头的字节格式
16 conn.sendall(文件内容) #然后发真实内容的字节格式
17 
18 #服务端开始接收
19 head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
20 x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度
21 
22 head_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式
23 header=json.loads(json.dumps(header)) #提取报头
24 
25 #最后根据报头的内容提取真实的数据,比如
26 real_data_len=s.recv(header['file_size'])
27 s.recv(real_data_len)

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 #http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
 3 __author__ = 'Linhaifeng'
 4 import struct
 5 import binascii
 6 import ctypes
 7 
 8 values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
 9 values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
10 s1 = struct.Struct('I3sf')
11 s2 = struct.Struct('4sI')
12 
13 print(s1.size,s2.size)
14 prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
15 print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
16 # t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
17 # print(t)
18 
19 
20 s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
21 s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)
22 
23 print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
24 print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
25 print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))
26 
27 s3=struct.Struct('ii')
28 s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
29 print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
30 print(s3.unpack_from(prebuffer,0))

关于struct的详细用法

 1 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
 2 
 3 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 4 
 5 phone.listen(5)
 6 
 7 while True:
 8     conn,addr=phone.accept()
 9     while True:
10         cmd=conn.recv(1024)
11         if not cmd:break
12         print('cmd: %s' %cmd)
13 
14         res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
15                              shell=True,
16                              stdout=subprocess.PIPE,
17                              stderr=subprocess.PIPE)
18         err=res.stderr.read()
19         print(err)
20         if err:
21             back_msg=err
22         else:
23             back_msg=res.stdout.read()
24 
25 
26         conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
27         conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容
28 
29     conn.close()

服务端（自定制报头）

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = 'Linhaifeng'
 3 import socket,time,struct
 4 
 5 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 6 res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))
 7 
 8 while True:
 9     msg=input('>>: ').strip()
10     if len(msg) == 0:continue
11     if msg == 'quit':break
12 
13     s.send(msg.encode('utf-8'))
14 
15 
16 
17     l=s.recv(4)
18     x=struct.unpack('i',l)[0]
19     print(type(x),x)
20     # print(struct.unpack('I',l))
21     r_s=0
22     data=b''
23     while r_s < x:
24         r_d=s.recv(1024)
25         data+=r_d
26         r_s+=len(r_d)
27 
28     # print(data.decode('utf-8'))
29     print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

客户端（自定制报头）

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序列化后的数据长度打包成4个字节（4个足够用了）

发送时：

先发报头长度

再编码报头内容然后发送

最后发真实内容

接收时：

先收报头长度，用struct取出来

根据取出报头长度内容，然后解码，反序列化

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

 1 import socket,struct,json
 2 import subprocess
 3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
 5 
 6 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 7 
 8 phone.listen(5)
 9 
10 while True:
11     conn,addr=phone.accept()
12     while True:
13         cmd=conn.recv(1024)
14         if not cmd:break
15         print('cmd: %s' %cmd)
16 
17         res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
18                              shell=True,
19                              stdout=subprocess.PIPE,
20                              stderr=subprocess.PIPE)
21         err=res.stderr.read()
22         print(err)
23         if err:
24             back_msg=err
25         else:
26             back_msg=res.stdout.read()
27 
28         headers={'data_size':len(back_msg)}
29         head_json=json.dumps(headers)
30         head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')
31 
32         conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度
33         conn.send(head_json_bytes) #再发报头
34         conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容
35 
36     conn.close()

服务端：定制稍微复杂一点的报头

 1 from socket import *
 2 import struct,json
 3 
 4 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 5 client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 6 client.connect(ip_port)
 7 
 8 while True:
 9     cmd=input('>>: ')
10     if not cmd:continue
11     client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))
12 
13     head=client.recv(4)
14     head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
15     head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
16     data_len=head_json['data_size']
17 
18     recv_size=0
19     recv_data=b''
20     while recv_size < data_len:
21         recv_data+=client.recv(1024)
22         recv_size+=len(recv_data)
23 
24     print(recv_data.decode('utf-8'))
25     #print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

客户端

十二、socketserver实现并发

基于tcp的套接字，关键就是两个循环，一个链接循环，一个通信循环

socketserver模块中分两大类：server类（解决链接问题）和request类（解决通信问题）

server类：

request类：

继承关系：

以下述代码为例，分析socketserver源码：

ftpserver=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),FtpServer)
ftpserver.serve_forever()

查找属性的顺序：ThreadingTCPServer->ThreadingMixIn->TCPServer->BaseServer

    1、实例化得到ftpserver，先找类ThreadingTCPServer的__init__,在TCPServer中找到，进而执行server_bind,server_active
    2、找ftpserver下的serve_forever,在BaseServer中找到，进而执行self._handle_request_noblock()，该方法同样是在BaseServer中
    3、执行self._handle_request_noblock()进而执行request, client_address = self.get_request()（就是TCPServer中的self.socket.accept()），然后执行self.process_request(request, client_address)
   /4、在ThreadingMixIn中找到process_request，开启多线程应对并发，进而执行process_request_thread，执行self.finish_request(request, client_address)
    上述四部分完成了链接循环，本部分开始进入处理通讯部分，在BaseServer中找到finish_request,触发我们自己定义的类的实例化，去找__init__方法，而我们自己定义的类没有该方法，则去它的父类也就是BaseRequestHandler中找....

源码分析总结：

基于tcp的socketserver我们自己定义的类中的

    　 1、self.server即套接字对象
    　 2、self.request即一个链接
    　 3、self.client_address即客户端地址

基于udp的socketserver我们自己定义的类中的

    　 1、self.request是一个元组（第一个元素是客户端发来的数据，第二部分是服务端的udp套接字对象），如(b'adsf', <socket.socket fd=200, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080)>)
    　 2、self.client_address即客户端地址

 1 import socketserver
 2 import struct
 3 import json
 4 import os
 5 class FtpServer(socketserver.BaseRequestHandler):
 6     coding='utf-8'
 7     server_dir='file_upload'
 8     max_packet_size=1024
 9     BASE_DIR=os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
10     def handle(self):
11         print(self.request)
12         while True:
13             data=self.request.recv(4)
14             data_len=struct.unpack('i',data)[0]
15             head_json=self.request.recv(data_len).decode(self.coding)
16             head_dic=json.loads(head_json)
17             # print(head_dic)
18             cmd=head_dic['cmd']
19             if hasattr(self,cmd):
20                 func=getattr(self,cmd)
21                 func(head_dic)
22     def put(self,args):
23         file_path = os.path.normpath(os.path.join(
24             self.BASE_DIR,
25             self.server_dir,
26             args['filename']
27         ))
28 
29         filesize = args['filesize']
30         recv_size = 0
31         print('----->', file_path)
32         with open(file_path, 'wb') as f:
33             while recv_size < filesize:
34                 recv_data = self.request.recv(self.max_packet_size)
35                 f.write(recv_data)
36                 recv_size += len(recv_data)
37                 print('recvsize:%s filesize:%s' % (recv_size, filesize))
38 
39 
40 ftpserver=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),FtpServer)
41 ftpserver.serve_forever()

FtpServer

 1 import socket
 2 import struct
 3 import json
 4 import os
 5 
 6 
 7 
 8 class MYTCPClient:
 9     address_family = socket.AF_INET
10 
11     socket_type = socket.SOCK_STREAM
12 
13     allow_reuse_address = False
14 
15     max_packet_size = 8192
16 
17     coding='utf-8'
18 
19     request_queue_size = 5
20 
21     def __init__(self, server_address, connect=True):
22         self.server_address=server_address
23         self.socket = socket.socket(self.address_family,
24                                     self.socket_type)
25         if connect:
26             try:
27                 self.client_connect()
28             except:
29                 self.client_close()
30                 raise
31 
32     def client_connect(self):
33         self.socket.connect(self.server_address)
34 
35     def client_close(self):
36         self.socket.close()
37 
38     def run(self):
39         while True:
40             inp=input(">>: ").strip()
41             if not inp:continue
42             l=inp.split()
43             cmd=l[0]
44             if hasattr(self,cmd):
45                 func=getattr(self,cmd)
46                 func(l)
47 
48 
49     def put(self,args):
50         cmd=args[0]
51         filename=args[1]
52         if not os.path.isfile(filename):
53             print('file:%s is not exists' %filename)
54             return
55         else:
56             filesize=os.path.getsize(filename)
57 
58         head_dic={'cmd':cmd,'filename':os.path.basename(filename),'filesize':filesize}
59         print(head_dic)
60         head_json=json.dumps(head_dic)
61         head_json_bytes=bytes(head_json,encoding=self.coding)
62 
63         head_struct=struct.pack('i',len(head_json_bytes))
64         self.socket.send(head_struct)
65         self.socket.send(head_json_bytes)
66         send_size=0
67         with open(filename,'rb') as f:
68             for line in f:
69                 self.socket.send(line)
70                 send_size+=len(line)
71                 print(send_size)
72             else:
73                 print('upload successful')
74 
75 
76 
77 
78 client=MYTCPClient(('127.0.0.1',8080))
79 
80 client.run()
81 
82 FtpClient

FtpClient

ssh远程执行命令+定制报头

 1 import socket
 2 import struct
 3 import subprocess
 4 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
 6 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 7 phone.listen(5)
 8 print('server start...')
 9 while True: #链接循环
10     conn,client_addr=phone.accept()
11     print(conn,client_addr)
12 
13     while True: #通讯循环
14         try:
15             cmd=conn.recv(1024)
16             if not cmd:break
17 
18             #执行命令，拿到结果
19             res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
20                              shell=True,
21                              stdout=subprocess.PIPE,
22                              stderr=subprocess.PIPE)
23 
24             stdout=res.stdout.read()
25             stderr=res.stderr.read()
26 
27             #制作报头
28             header=struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr))
29 
30 
31             #先发报头(固定长度)
32             conn.send(header)
33             #再发真实的数据
34             conn.send(stdout)
35             conn.send(stderr)
36 
37         except Exception: #针对windwos
38             break
39     conn.close()
40 
41 phone.close()

服务端

 1 import socket
 2 import struct
 3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
 5 
 6 while True:
 7     cmd=input('>>: ').strip()
 8     if not cmd:continue
 9     #发命令
10     phone.send(cmd.encode('utf-8'))
11 
12 
13     #先收报头
14     header=phone.recv(4)
15     total_size=struct.unpack('i',header)[0]
16 
17     #再收命令的执行结果
18     recv_size=0
19     data=b''
20     while recv_size < total_size:
21         recv_data=phone.recv(1024)
22         recv_size+=len(recv_data)
23         data+=recv_data
24 
25     #打印结果
26     print(data.decode('gbk'))
27 
28 phone.close()

客户端

定制报头的正确方式

 1 import socket
 2 import struct
 3 import subprocess
 4 import json
 5 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 6 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
 7 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 8 phone.listen(5)
 9 print('server start...')
10 while True: #链接循环
11     conn,client_addr=phone.accept()
12     print(conn,client_addr)
13 
14     while True: #通讯循环
15         try:
16             cmd=conn.recv(1024)
17             if not cmd:break
18 
19             #执行命令，拿到结果
20             res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
21                              shell=True,
22                              stdout=subprocess.PIPE,
23                              stderr=subprocess.PIPE)
24 
25             stdout=res.stdout.read()
26             stderr=res.stderr.read()
27 
28 
29             #制作报头
30             header_dic={'total_size':len(stdout)+len(stderr),'md5':None}
31             header_json=json.dumps(header_dic)
32             header_bytes=header_json.encode('utf-8')
33 
34 
35             #1 先发报头的长度（固定4个bytes）
36             conn.send(struct.pack('i',len(header_bytes)))
37 
38 
39             #2 先发报头
40             conn.send(header_bytes)
41 
42 
43             #3 再发真实的数据
44             conn.send(stdout)
45             conn.send(stderr)
46 
47         except Exception: #针对windwos
48             break
49     conn.close()
50 
51 phone.close()

服务端

 1 import socket
 2 import struct
 3 import json
 4 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
 6 
 7 while True:
 8     cmd=input('>>: ').strip()
 9     if not cmd:continue
10     #发命令
11     phone.send(cmd.encode('utf-8'))
12 
13 
14     #先收报头的长度
15     struct_res=phone.recv(4)
16     header_size=struct.unpack('i',struct_res)[0]
17 
18     #再收报头
19     header_bytes=phone.recv(header_size)
20     head_json=header_bytes.decode('utf-8')
21     head_dic=json.loads(head_json)
22 
23     total_size=head_dic['total_size']
24     #再收命令的执行结果
25     recv_size=0
26     data=b''
27     while recv_size < total_size:
28         recv_data=phone.recv(1024)
29         recv_size+=len(recv_data)
30         data+=recv_data
31 
32     #打印结果
33     print(data.decode('gbk'))
34 
35 phone.close()

客户端

并发远程ssh

 1 import socketserver
 2 class MyTcphandler(socketserver.BaseRequestHandler):
 3     def handle(self):
 4         while True: #通信循环
 5             data=self.request.recv(1024)
 6             self.request.send(data.upper())
 7 if __name__ == '__main__':
 8     #取代链接循环
 9     server=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyTcphandler)
10     server.serve_forever()

服务端

 1 import socket
 2 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 3 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
 4 
 5 while True:
 6     msg=input('>>: ').strip()
 7     if not msg:continue
 8     phone.send(msg.encode('utf-8'))
 9     server_data=phone.recv(1024)
10     print(server_data.decode('utf-8'))
11 
12 phone.close()

客户端

posted on 2017-11-11 13:37 &永恒& 阅读(262) 评论(0) 编辑收藏举报

第 9 章 网络编程

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