粘包现象与解决方案
简单远程执行命令程序开发
是时候用户socket干点正事呀，我们来写一个远程执行命令的程序，写一个socket client端在windows端发送指令，一个socket server在Linux端执行命令并返回结果给客户端
执行命令的话，肯定是用我们学过的subprocess模块啦，但注意注意注意：
res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
命令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，且只能从管道里读一次结果
ssh server
import socket import subprocess ip_port = ('127.0.0.1', 8080) tcp_socket_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.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(1024) if len(cmd) == 0: break print("recv cmd",cmd) res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stderr = res.stderr.read() stdout = res.stdout.read() print("res length",len(stdout)) conn.send(stderr) conn.send(stdout)
ssh client
import socket 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(1024) print(act_res.decode('utf-8'), end='')
尝试执行ls、pwd命令,你惊喜的发现，拿到了正确的结果！
but 莫开心太早，此时执行一个结果比较长的命令，比如top -bn 1， 你发现依然可以拿到结果，但如果再执行一条df -h的话，就发现，你拿到并不是df命令的结果，而是上一条top命令的部分结果。为啥捏？为啥捏？为啥捏？
是因为，top命令的结果比较长，但客户端只recv(1024), 可结果比1024长呀，那怎么办，只好在服务器端的IO缓冲区里把客户端还没收走的暂时存下来，等客户端下次再来收，所以当客户端第2次调用recv(1024)就会首先把上次没收完的数据先收下来，再收df命令的结果。
那怎么解决呢？ 有些同学说，直接把recv(1024)改大不就好了，改成5000\10000或whatever. 可我的亲，这么干的话，并不能解决实际问题，因为你不可能提前知道对方返回的结果数据大下，无论你改成多大，对方的结果都有可能比你设置的大，另外这个recv并不是真的可以随便改特别大的，有关部门建议的不要超过8192，再大反而会出现影响收发速度和不稳定的情况
同志们，这个现象叫做粘包，就是指两次结果粘到一起了。它的发生主要是因为socket缓冲区导致的，来看一下
你的程序实际上无权直接操作网卡的，你操作网卡都是通过操作系统给用户程序暴露出来的接口，那每次你的程序要给远程发数据时，其实是先把数据从用户态copy到内核态，这样的操作是耗资源和时间的，频繁的在内核态和用户态之前交换数据势必会导致发送效率降低， 因此socket 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次数据给对方。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP socket 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。
粘包问题只存在于TCP中，Not UDP
还是看上图，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。
总结
- 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
基于UDP的命令执行程序
上面说了，udp不存在粘包问题，我们看一下实例
udp server
import socket import subprocess ip_port = ('127.0.0.1', 9003) bufsize = 1024 udp_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) udp_server.bind(ip_port) while True: # 收消息 cmd, addr = udp_server.recvfrom(bufsize) print('用户命令----->', cmd,addr) # 逻辑处理 res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE) stderr = res.stderr.read() stdout = res.stdout.read() # 发消息 udp_server.sendto(stdout + stderr, addr) udp_server.close()
udp client
from socket import * import time ip_port = ('127.0.0.1', 9003) bufsize = 1024 udp_client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) while True: msg = input('>>: ').strip() if len(msg) == 0: continue udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'), ip_port) data, addr = udp_client.recvfrom(bufsize) print(data.decode('utf-8'), end='')
粘包的解决办法
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
普通青年版
服务器端
import socket,subprocess ip_port=('127.0.0.1',8080) s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) s.bind(ip_port) s.listen(5) while True: conn,addr=s.accept() print('客户端',addr) while True: msg=conn.recv(1024) if not msg:break res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,\ stdin=subprocess.PIPE,\ stderr=subprocess.PIPE,\ stdout=subprocess.PIPE) err=res.stderr.read() if err: ret=err else: ret=res.stdout.read() data_length=len(ret) conn.send(str(data_length).encode('utf-8')) data=conn.recv(1024).decode('utf-8') if data == 'recv_ready': conn.sendall(ret) conn.close()
客户端
import socket,time 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')) length=int(s.recv(1024).decode('utf-8')) s.send('recv_ready'.encode('utf-8')) send_size=0 recv_size=0 data=b'' while recv_size < length: data+=s.recv(1024) recv_size+=len(data) #为什么不直接写1024？ print(data.decode('utf-8'))
为何low？
程序的运行速度远快于网络传输速度，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
刚才上面 在发送消息之前需先发送消息长度给对端，还必须要等对端返回一个ready收消息的确认，不等到对端确认就直接发消息的话，还是会产生粘包问题(承载消息长度的那条消息和消息本身粘在一起)。 有没有优化的好办法么？
文艺青年版一
思考一个问题，为什么不能在发送了消息长度(称为消息头head吧)给对端后，立刻发消息内容(称为body吧)，是因为怕head 和body 粘在一起，所以通过等对端返回确认来把两条消息中断开。
可不可以直接发head + body,但又能让对端区分出哪个是head，哪个是body呢？我靠、我靠，感觉智商要涨了。
想到了，把head设置成定长的呀，这样对端只要收消息时，先固定收定长的数据，head里写好，后面还有多少是属于这条消息的数据，然后直接写个循环收下来不就完了嘛！唉呀妈呀，我真机智。
可是、可是如何制作定长的消息头呢？假设你有2条消息要发送，第一条消息长度是 3000个字节，第2条消息是200字节。如果消息头只包含消息长度的话，那两个消息的消息头分别是
len(msg1) = 4000 = 4字节 len(msg2) = 200 = 3字节 你的服务端如何完整的收到这个消息头呢？是recv(3)还是recv(4)服务器端怎么知道？用尽我所有知识，我只能想到拼接字符串的办法了，打比方就是设置消息头固定100字节长，不够的拿空字符串去拼接。
server
import socket,json import subprocess ip_port = ('127.0.0.1', 8080) tcp_socket_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) tcp_socket_server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #一行代码搞定，写在bind之前 tcp_socket_server.bind(ip_port) tcp_socket_server.listen(5) def pack_msg_header(header,size): bytes_header = bytes(json.dumps(header),encoding="utf-8") fill_up_size = size - len(bytes_header) print("need to fill up ",fill_up_size) header['fill'] = header['fill'].zfill(fill_up_size) print("new header",header) bytes_new_header = bytes(bytes(json.dumps(header),encoding="utf-8")) return bytes_new_header while True: conn, addr = tcp_socket_server.accept() print('客户端', addr) while True: cmd = conn.recv(1024) if len(cmd) == 0: break print("recv cmd",cmd) res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stderr = res.stderr.read() stdout = res.stdout.read() print("res length",len(stdout)) msg_header = { 'length':len(stdout + stderr), 'fill':'' } packed_header = pack_msg_header(msg_header,100) print("packed header size",packed_header,len(packed_header)) conn.send(packed_header) conn.send(stdout + stderr)
client
import socket import json 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')) response_msg_header = s.recv(100).decode("utf-8") response_msg_header_data = json.loads(response_msg_header) msg_size = response_msg_header_data['length'] res = s.recv(msg_size) print("received res size ",len(res)) print(res.decode('utf-8'), end='')
文艺青年版二
为字节流加上自定义固定长度报头也可以借助于第三方模块struct，用法为
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模块实现方式如下
server
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()
client
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) #先收4个bytes，这里4个bytes里包含了报头的长度 head_json_len=struct.unpack('i',head)[0] #解出报头的长度 head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8')) #拿到报头 data_len=head_json['data_size'] #取出报头内包含的信息 #开始收数据 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
