网络基础之——tcp协议的流式问题之远程执行命令程序解决粘包问题，定制复杂的报头

一、远程执行命令程序解决粘包问题

1、tcp协议的流式问题

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。

2、粘包现象

只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包

 

这里缓存的作用：C端 S端都会把自己的数据存到缓存，缓存的打开顺序如上图所示的水桶放的东西一样一层一层打开。所以发和收数据都是在跟自己的缓存打交道，可以发空，但不能收空。

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
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

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

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。

4、两种情况下会发生粘包。

（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）

（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）

5、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。

6、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

7、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

8、正确解决粘包问题：

（方法：自定义应用层协议）

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

固定报头长度要用到struct模块

import struct

#该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

struct.pack('i',int类型)

#也可以还原bytes

struct.unpack('i',int类型)

 

 

 

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)

 

#server

import subprocess
import struct
from socket import *

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(server)
server.bind(('127.0.0.1', 8082))
server.listen(5)
while True:
    conn, client_addr = server.accept()
    print(conn)
    print(client_addr)

    while True:
        try:
            cmd = conn.recv(1024)
            obj = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
                                   shell=True,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stderr=subprocess.PIPE,
                                   )

            stdout = obj.stdout.read()
            stderr = obj.stdout.read()
            total_size = len(stdout) + len(stderr)

            # 先发送数据的长度
            conn.send(struct.pack('i',total_size))
            # 发送真正的数据
            conn.send(stdout)
            conn.send(stderr)
        except Exception:
            break
    conn.close()

server.close()

#client

import struct
from socket import *

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(client)
client.connect(('127.0.0.1', 8082))

while True:
    cmd = input(">>: ").strip()
    if len(cmd) == 0:
        continue
    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    # 先收数据的长度
    n = 0
    header = b''
    while n < 4:
        data = client.recv(1)
        header += data
        n += len(data)

    total_size = struct.unpack('i', header)[0]

    # 收真正的数据
    recv_size = 0
    res = b''
    while recv_size < total_size:
        data = client.recv(1024)
        res += data
        recv_size += len(data)

    print(res.decode('gbk'))

client.close()

 

二、定制复杂的报头

我们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）

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：

先手报头长度，用struct取出来

根据取出的长度收取报头内容，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

#server

import subprocess
import os
import struct
from socket import *

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(server)
server.bind(('127.0.0.1', 8082))
server.listen(5)
while True:
    conn, client_addr = server.accept()
    print(conn)
    print(client_addr)

    while True:
        try:
            msg = conn.recv(1024).decode('utf-8')
            cmd,file_path=msg.split()
            if cmd == "get":
                # 先发送报头
                total_size=os.path.getsize(file_path)
                conn.send(struct.pack('q',total_size))
                # 再发送文件
                with open(r'%s' %file_path,mode='rb') as f:
                    for line in f:
                        conn.send(line)
        except Exception:
            break
    conn.close()

server.close()

#client

import struct
from socket import *

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(client)
client.connect(('127.0.0.1', 8082))

while True:
    cmd = input(">>: ").strip()  # get 文件路径
    if len(cmd) == 0:
        continue
    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    # 先收数据的长度
    n = 0
    header = b''
    while n < 8:
        data = client.recv(1)
        header += data
        n += len(data)

    total_size = struct.unpack('q', header)[0]
    print(total_size)
    # 收真正的数据
    recv_size = 0
    with open('aaa.jpg', mode='wb') as f:
        while recv_size < total_size:
            data = client.recv(1024)
            f.write(data)
            recv_size += len(data)


client.close()

#server

import subprocess
import os
import struct
import json
from socket import *

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(server)
server.bind(('127.0.0.1', 8082))
server.listen(5)
while True:
    conn, client_addr = server.accept()
    print(conn)
    print(client_addr)

    while True:
        try:
            msg = conn.recv(1024).decode('utf-8')
            cmd,file_path=msg.split()
            if cmd == "get":
                # 一、制作报头
                header_dic={
                    "total_size":os.path.getsize(file_path),
                    "filename":os.path.basename(file_path),
                    "md5":"1231231231232132131232311"
                }
                header_json=json.dumps(header_dic)
                header_json_bytes=header_json.encode('utf-8')


                # 二、发送数据
                # 1、先发送报头的长度
                header_size=len(header_json_bytes)
                conn.send(struct.pack('i',header_size))
                # 2、再发送报头
                conn.send(header_json_bytes)
                # 3、最后发送真实的数据
                with open(r'%s' %file_path,mode='rb') as f:
                    for line in f:
                        conn.send(line)
        except Exception:
            break
    conn.close()

server.close()

#client

import struct
import json
from socket import *

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# print(client)
client.connect(('127.0.0.1', 8082))

while True:
    cmd = input(">>: ").strip()  # get 文件路径
    if len(cmd) == 0:
        continue
    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    # 1、先接收报头的长度
    res=client.recv(4)
    header_size=struct.unpack('i',res)[0]
    # 2、再接收报头
    header_json_bytes=client.recv(header_size)
    header_json=header_json_bytes.decode('utf-8')
    header_dic=json.loads(header_json)
    print(header_dic)
    # 3、最后接收真实的数据
    total_size=header_dic['total_size']
    filename=header_dic['filename']
    recv_size = 0
    with open(r"D:\python全栈15期\day32\代码\03 定制复杂的报头\版本2\download\%s" %filename, mode='wb') as f:
        while recv_size < total_size:
            data = client.recv(1024)
            f.write(data)
            recv_size += len(data)


client.close()

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