socket 套接字

套接字基础

c/s架构        client ---------internet------------server
server端：
           力求一直提供服务
           要绑定一个唯一的地址，让客户端能够明确的找到

为何学习socket一定要先学习互联网协议：

1.首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，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，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

     TCP/IP协议族包括传输层、网络层、链路层

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。

通俗理解：
socket=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

标准定义：源IP地址和目的IP地址以及源端口号和目的端口号的组合称为套接字。其用于标识客户端请求的服务器和服务。
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

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，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

socket工作流程：
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。

基于tcp协议的套接字

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

print('start.....')
while True:#链接循环        一台客户端中断链接时，不至于服务端也停止运行
    conn,addr = phone.accept()       #等待电话链接
    print('电话线路是',conn)
    print('客户端手机号',addr)
    while True:# 通信循环
        try:         #应对windows系统
            #print("等待接收")
            data = conn.recv(1024)
            if not data : break           #应对linux系统  #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('客户端发来的消息',data.decode('utf8'))
            s =  input("....")
            conn.send(s.encode('utf8'))
        except Exception:
            break
    conn.close()
phone.close()

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

while True:
    msg = input('>> :').strip()
    if not msg: continue
    phone.send(msg.encode('utf8'))
    print('has send=========>')
    data = phone.recv(1024)
    print('has recv==========>')
    print(data)


phone.close()

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（阻塞很简单，就是一直在等着收）

（2）只不过tcp协议的客户端send一个空数据就是真的空数据，客户端即使有无穷个send空，也跟没有一个样。

（3）tcp基于链接通信

基于链接，则需要listen（backlog），指定半连接池的大小
基于链接，必须先运行的服务端，然后客户端发起链接请求
对于mac系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端在收消息后加上
            if判断，空消息就break掉通信循环)
对于windows/linux系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端通信
                       循环内加异常处理，捕捉到异常后就break掉通讯循环)
基于udp协议的套接字（QQ聊天）

#基于udp的服务端
from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1',8080)
Bufsize = 1024
t = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
t.bind(ip_port)
while True:
    msg,addr = t.recvfrom(Bufsize)
    print(msg.decode('utf8'),addr)
    msg = input('>> :').strip()
    t.sendto(msg.encode('utf8'),addr)

#基于udp的客户端
from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1',8080)
Bufsize = 1024
t = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)


while True:
    msg = input('>>:').strip()
    # if not msg:continue
    t.sendto(msg.encode('utf8'),ip_port)

    back_msg,addr = t.recvfrom(Bufsize)
    print(back_msg.decode('utf8'),addr)

# send(bytes_data):发送数据流，数据流bytes_data若为空，自己这段的缓冲区也为空，操作系统不会控制tcp协议发空包
# sendinto(bytes_data,ip_port)：发送数据报，bytes_data为空，还有ip_port,所有即便是发送空的bytes_data,数据报其实也
# 不是空的,自己这端的缓冲区收到内容，操作系统就会控制udp协议发包。

2.udp协议

（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom也会阻塞

（2）只不过udp协议的客户端sendinto一个空数据并不是真的空数据（包含：空数据+地址信息，得到的报仍然不会为空），所以客户端
只要有一个sendinto（不管是否发送空数据，都不是真的空数据），服务端就可以recvfrom到数据。

（3）udp无链接

无链接，因而无需listen（backlog），更加没有什么连接池之说了
无链接，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，只不过数据丢失
recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，在mac和linux系统上数据直接丢失，在windows系统上发送的比接收的大直接报错
只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失

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

粘包现象

 

两种情况下会发生粘包：
11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）
22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）

粘包发生的原因：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（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。

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

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。
粘包现象：

import socket,time

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#绑定电话卡
ip_port=('127.0.0.1',8080)
phone.bind(ip_port)
phone.listen(5)
conn,addr=phone.accept()

data1=conn.recv(1024)
print('第一个包',data1)
data2=conn.recv(1024)
print('第二个包',data2)


data1=conn.recv(1) #b'h'
print('第一个包',data1)
time.sleep(5)                      #利用time来解决粘包问题
data2=conn.recv(1024) #b'elloworldSB'
print('第二个包',data2)

import socket,time

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

ip_port=('127.0.0.1',8080)
phone.connect(ip_port)


phone.send('helloworld'.encode('utf-8'))
time.sleep(3)              #利用time来解决粘包问题
phone.send('SB'.encode('utf-8'))

利用struct解决粘包问题

（1）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

struct模块 

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

>>> struct.pack('i',1111111111111)

struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 #这个是范围

 

（2）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

from socket import *
import subprocess
import struct
import json
t = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
t.bind(('192.168.184.128',8080))
t.listen(5)

while True:  #链接循环
    conn,addr = t.accept()
    while True: # 通信循环
        try:
            cmd = conn.recv(1024)
            if not cmd:break
            res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),
                                   shell = True,
                                   stdout = subprocess.PIPE,
                                   stderr= subprocess.PIPE)
            out_res = res.stdout.read()
            err_res = res.stderr.read()
            data_size = len(out_res)+len(err_res)
            head_dic = {'data_size':data_size}
            head_json = json.dumps(head_dic)
            head_bytes = head_json.encode('utf8')
            #发送报头的长度
            head_len = len(head_bytes)
            conn.send(struct.pack('i',head_len))  #该模块将一串数字打包以固定长度（4个字节）发送给客户端
            #发送报头
            conn.send(head_bytes)
            #发送数据部分
            conn.send(out_res) # linux环境中 多个命令用分号隔开的情况
            conn.send(err_res)
        except Exception:
            break
    conn.close()    #通信完成，关闭链接
t.close()

from socket import *
import struct
import json
t =socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
t.connect(('192.168.184.128',8080))

while True:  #通信循环
    #发消息
    cmd = input('>>> :')
    if not cmd: continue
    t.send(bytes(cmd,encoding='utf8'))
    #收报头的长度
    head_struct=t.recv(4)
    head_len = struct.unpack('i',head_struct)
    #收报头
    head_bytes = t.recv(head_len)
    head_json = head_bytes.decode('utf8')

    head_dic = json.loads(head_json)
    print(head_dic)
    data_size = head_dic['data_size']

    #收数据
    recv_size = 0
    recv_data = b''
    while recv_size < data_size:

        data = t.recv(1024)
        recv_size += len(data)
        recv_data += data
    print(recv_data.decode('utf8'))         #基于windows的shell 用GBK解码
                                        #基于linux的shell 用utf8解码

t.close()

模拟远程访问ssh

from socket import *
import subprocess
t = socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #两个参数   基于网络通信的套接字，基于tcp协议的套接字
t.bind(('127.0.0.1',8080)) #绑定唯一一个IP地址和端口号     此处为本地回环地址
t.listen(5)  #开启监听    同时允许最多5个客户端访问

while True:  #链接循环
    conn,addr = t.accept()  #等待客户端链接
    while True: # 通信循环
        try:           #应对windows系统   客户端关闭链接的情况下
            cmd = conn.recv(1024)  #接收客户端消息    每次接收1024字节的数据
            if not cmd:break   #应对linux系统   服务器不断的接收空
            res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),
                                   shell = True,
                                   stdout = subprocess.PIPE,
                                   stderr= subprocess.PIPE)
            conn.send(res.stdout.read()) # linux环境中 多个命令用分号隔开的情况
            conn.send(res.stderr.read())


            err = res.stderr.read()            #只有一个命令的情况下
            if err :
                cmd_res = err
            else:
                cmd_res = res.stdout.read()
            conn.send(cmd_res)
        except Exception:
            break
    conn.close()    #通信完成，关闭链接
t.close()

from socket import *
t =socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
t.connect(('192.168.184.128',8280))

while True:  #通信循环
    cmd = input('>>> :')
    if not cmd: continue
    t.send(cmd.encode('utf8'))
    data = t.recv(1024)
    print(data.decode('utf8'))         #基于windows的shell 用GBK解码
                                        #基于linux的shell 用utf8解码

t.close()

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：

 

tcp协议下的并发问题

#服务端
import socketserver

class Ftpserver(socketserver.BaseRequestHandler):  #通信链接
    def handle(self):
        print('==========>',self)
        print(self.request)                 #self.request  ==   conn
        while True:
            data = self.request.recv(1024)
            print(data.decode('utf8'))
            data1 =input('>>')
            self.request.send(data1.encode('utf8'))

if __name__ == '__main__':
    obj = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),Ftpserver)
    obj.serve_forever()#链接循环

udp协议下的并发问题

import socketserver
class Ftpserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print(self.request)
        print(self.client_address)
        # msg = input('>>>:')
        self.request[1].sendto(self.request[0],self.client_address)

if __name__ == '__main__':
    obj = socketserver.ThreadingUDPServer(('127.0.0.1',8080),Ftpserver)
    obj.serve_forever()

socketserver源码分析：

SocketServer的ThreadingTCPServer之所以可以同时处理请求得益于 select 和 Threading 两个东西，其实本质上就是在服务器端为每一个客户端创建一个线程，当前线程用来处理对应客户端的请求，所以，可以支持同时n个客户端链接（长连接）

启动服务端程序
执行 TCPServer.__init__ 方法，创建服务端Socket对象并绑定 IP 和 端口
执行 BaseServer.__init__ 方法，将自定义的继承自SocketServer.BaseRequestHandler 的类 MyRequestHandle赋值给 self.RequestHandlerClass
执行 BaseServer.server_forever 方法，While 循环一直监听是否有客户端请求到达 ...
当客户端连接到达服务器
执行 ThreadingMixIn.process_request 方法，创建一个 “线程” 用来处理请求
执行 ThreadingMixIn.process_request_thread 方法
执行 BaseServer.finish_request 方法，执行 self.RequestHandlerClass()  即：执行 自定义 MyRequestHandler 的构造方法（自动调用基类BaseRequestHandler的构造方法，在该构造方法中又会调用 MyRequestHandler的handle方法）

简单例子实现源码重现：

import socket
import threading
import select

def process(request,client_address):
    print(request,client_address)
    conn = request
    conn.sendall('欢迎致电10086,请输入。。。。'.encode('utf8'))
    flag = True
    while flag:
        data = conn.recv(1024)
        if data == 'exit':
            flag = False
        elif data == '0':
            conn.sendall('可能会被录音'.encode('utf8'))
        else:
            conn.sendall('重新输'.encode('utf8'))

sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8080))
sk.listen()

while True:
    r,w,e=select.select([sk,],[],[],1)
    if sk in r:
        print('get request')
        request,client_address = sk.accept()
        t = threading.Thread(target=process,args=(request,client_address))
        t.start()
sk.close()

应用：

FTP上传下载

1. 用户登陆
2. 上传/下载文件
3. 不同用户家目录不同
4. 查看当前目录下文件
5. 充分使用面向对象知识
6. 用户加密认证
7. 多用户同时登陆
8. 每个用户有自己的家目录且只能访问自己的家目录
9. 对用户进行磁盘配额、不同用户配额可不同
10. 用户可以登陆server后，可切换目录
11. 查看当前目录下文件
12. 上传下载文件，保证文件一致性
13. 传输过程中现实进度条
14. 支持断点续传