套接字，TCP，UDP

一、Socket

1、socket由来

#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。
#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。

 

2、socket分类

#1、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

#2、基于网络类型的套接字家族
    套接字家族的名字：AF_INET

 

常用的TCP/IP协议的3种套接字类型如下所示。

#流式套接字(SOCK_STREAM):     TCP
    流式套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字之所以能够实现可靠的数据服务，原因在于其使用了传输控制协议，即TCP(The Transmission Control Protocol)协议。

#数据报套接字(SOCK_DGRAM):
    数据报套接字提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP(User Datagram Protocol)协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性，对于有可能出现的数据丢失情况，需要在程序中做相应的处理。

#原始套接字(SOCK_RAW):
    原始套接字(SOCKET_RAW)允许对较低层次的协议直接访问，比如IP、 ICMP协议，它常用于检验新的协议实现，或者访问现有服务中配置的新设备，因为RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多种协议，能够对网络底层的传输机制进行控制，所以可以应用原始套接字来操纵网络层和传输层应用。比如，我们可以通过RAW SOCKET来接收发向本机的ICMP、IGMP协议包，或者接收TCP/IP栈不能够处理的IP包，也可以用来发送一些自定包头或自定协议的IP包。网络监听技术很大程度上依赖于SOCKET_RAW


#原始套接字与标准套接字(标准套接字指的是前面介绍的流式套接字和数据报套接字)的区别在于:
    原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流式套接字只能读取TCP协议的数据，数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送数据必须使用原始套接字。

 

 

3、socket常用方法

#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

 

 

 

二、基于TCP协议的套接字　　

1、TCP简介

#是什么
    传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

 

2、三次握手

刚开始, 客户端和服务器都处于 CLOSE 状态. 
此时, 客户端向服务器主动发出连接请求, 服务器被动接受连接请求.

1, TCP服务器进程先创建传输控制块TCB, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN（监听）状态 

2, TCP客户端进程也是先创建传输控制块TCB, 然后向服务器发出连接请求报文，此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x, 此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定, SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。 

3, TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y, 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。 

4, TCP客户端进程收到确认后还, 要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，确认序号是 y+1，自己的序列号是 x+1. 

5, 此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

如图：（TCP是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去连接服务端）

3、四次挥手

数据传输完毕后，双方都可以释放连接. 
此时客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动断开连接，服务器被动断开连接.

1, 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。 
释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。 

2, 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，确认序号为 u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。 
TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。 

3, 客户端收到服务器的确认请求后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最终数据） 
4, 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，确认序号为v+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
 
5, 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，确认序号为w+1，而自己的序列号是u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。 

6, 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

如图

上图中 为什么客户端还要等s=2SML

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

 

4、如果已经建立了连接，客户端突发故障了

TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

 

5、代码实现

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)#电话卡
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
s.bind(ip_port) #手机插卡
s.listen(5)     #手机待机


while True:                         #新增接收链接循环,可以不停的接电话
    conn,addr=s.accept()            #手机接电话
    print('接到来自%s的电话' %addr[0])
    while True:                         #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息
        msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话，接收数据大小

        # if len(msg) == 0:break        #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

        conn.send(msg.upper())          #发消息,说话

    conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

s.connect_ex(ip_port)           #拨电话

while True:                             #新增通信循环,客户端可以不断发收消息
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    s.send(msg.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)

    feedback=s.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
    print(feedback.decode('utf-8'))

s.close()                                       #挂电话

 

 

 

三、基于UDP的套接字

1、UDP简介

#是什么
    用户数据报协议
#UDP是一个无连接协议，把数据报发送出去，但并不保证它们能够到达目的地
它是无连接的，先启动哪一端都可以

 

2、TCP与UDP的区别

 

3、简单代码示例

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

udp_server_client.bind(ip_port)

while True:
    msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
    print(msg,addr)

    udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if not msg:continue

    udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

    back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
    print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

 

4、模拟qq聊天（UDP是无连接的，可以同时多个客户端跟服务端通信）

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)
udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机
udp_server_sock.bind(ip_port)

while True:
    qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)
    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')))
    back_msg=input('回复消息: ').strip()

    udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)

import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    'c1':('127.0.0.1',8081),
    'c2':('127.0.0.1',8081),
    'c3':('127.0.0.1',8081),
    'c4':('127.0.0.1',8081),
}


while True:
    qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip()
    while True:
        msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip()
        if msg == 'quit':break
        if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
        udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name])

        back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
        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')))

udp_client_socket.close()

import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    'c1':('127.0.0.1',8081),
    'c2':('127.0.0.1',8081),
    'c3':('127.0.0.1',8081),
    'c4':('127.0.0.1',8081),
}


while True:
    qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip()
    while True:
        msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip()
        if msg == 'quit':break
        if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
        udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name])

        back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
        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')))

udp_client_socket.close()

 

 

 

四、粘包

1、粘包简介

#只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，所谓粘包，主要问题是接收方不知道消息的边界，不知道一次性取多少字节造成的

 

2、发生粘包的两种情况

#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）


#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） 

 

3、如何解决粘包

#1、先发送长度信息，再发送真实信息

#2、struct模块

 

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()


        conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

    conn.close()

import socket,time,struct

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'))



    l=s.recv(4)
    x=struct.unpack('i',l)[0]
    print(type(x),x)
    # print(struct.unpack('I',l))
    r_s=0
    data=b''
    while r_s < x:
        r_d=s.recv(1024)
        data+=r_d
        r_s+=len(r_d)

    # print(data.decode('utf-8'))
    print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

 

 

import socket,struct
s = socket.socket()
s.bind(("127.0.0.1",8888))
s.listen(5)
conn,addr = s.accept()
c_len_data = conn.recv(4)
c_len = struct.unpack("i",c_len_data)
print(c_len)      #执行后  >>(28,)  输出的是元组类型，需要取第一个

客户端
import socket,json,struct
c = socket.socket()
c.connect(("127.0.0.1",8888))
c_dic = {"name":"pdun","age":"1"}
c_data = json.dumps(c_dic).encode("utf-8")
c_len = struct.pack("i",len(c_data))
c.send(c_len)
c.send(c_data)