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

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 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

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))

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

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

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)

　　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是基于连接的,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,任何一方视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,数据流很小,汇合                      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