socket套接字&粘包问题

网络编程

学习网络编程的目的是为了开发基于互联网通信的软件，不论是BS架构的还是CS架构的。

我们开发互联网通信软件是处于TCP/IP协议的应用层，当涉及到数据需要经过互联网传输时，就需要使用到socket抽象层。这个socket抽象层不属于TCP/IP五层，是一个抽象的出来的，帮我们封装了包括传输层以下的其他各层。

我们在应用层只负责应用程序的开发，涉及到网络数据传输直接调用socket抽象层帮我们提供的API接口，完成数据交互，避免直接解除底层那些复杂写固定的协议，极大提高开发效率。

socket套接字

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。

# 也有人将socket说成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

# 而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识

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：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：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。
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，故大多只使用AF_INET。

socket模块

基于网络类型的套接字，应用程序交流按照连接的有无，又分为基于tcp的套接字和基于udp的套接字。

python中的socket模块帮我们封装了socket抽象层，并提供我们一些简单的使用接口。

import socket

socket.socket(socket_family, socket_type, protocal=0)
# socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。
# socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。 
# 获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 
# 获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)


# 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

基于TCP的套接字

tcp是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去链接服务端

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的通信的简单流程

# 服务端
import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)	
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))	# 绑定ip/port
phone.listen(5)	# 监听，半连接池=5
while 1:		# 连接循环
    conn, addr = phone.accept()	# 等待结束客户端连接请求，获取连接和客户端ip/port
    while 1:
        try:	# 异常捕获是为了避免客户端突然断开连接造成的服务端奔溃，linux系统服务端此时会陷入死循环
            data = conn.recv(1024)	# 每次接收1024个字节
            print(data.decode('utf-8'))	
            conn.send(data.upper())
        except Exception as e:
            print(e)
            break

    conn.close()	# 通信结束，关闭连接

因为tcp是基于连接通信的，连接是双方的。一旦客户端单方面终端连接，服务端拿到的那个conn就是无效的了。

此时服务端就会出现问题。windows系统上，就会报错。在linux系统上服务端就会陷入死循环，不停收空消息。

解决办法是：windows上做一个异常捕获，捕获后中断通信循环。linux上判断收到的消息是否是空，空的话就跳出通信循环。

# 客户端
import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))	# 直接发起连请求，需要指代服务端的ip/port
while 1:
    haha = input('>>>:').strip()
    if haha == 'q':
        break
    if not haha:	# 防止客户端发空消息
        continue
    phone.send(haha.encode('utf-8'))	# 网络传输都是bytes二进制数据
    data = phone.recv(1024)				# 接收1024个字节
    print(data.decode('utf-8'))

phone.close()	# 通信结束关闭连接

基于tcp通信，客户端如果发的消息的空，也会出现问题。如果客户端发的消息为空，这个消息其实是不会发出去的，只是应用程序将这个消息发给了操作系统，操作系统收到后，发现是空，不会往外发的。所以客户端发空后进入recv等状态状态，而此时服务端是压根没有收到任何消息也不会回复，所以就陷入的尴尬的两边等状态。

解决的办法就是判断客户端发的消息是否为空，为空直接跳到下一个循环，不然这个空消息发给操作系统。

重启服务端遇到的bug：端口占用问题

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
如果不懂，请深入研究：
	1.tcp三次握手，四次挥手 
    2.syn洪水攻击 
    3.服务器高并发情况下会有大量的time_wait状态的优化方法

解决方法：方法一

#加入一条socket配置，重用ip和端口
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind(('127.0.0.1',8080))

解决方法：方法二

发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接，通过调整linux内核参数解决，
vi /etc/sysctl.conf

编辑文件，加入以下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间

基于UDP的套接字

udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错。因此，它要比基于tcp的套接字在使用上简单很多。

udp服务端

import socket

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(ip_port)
print('服务端开始监听......')

while 1:
    get_msg, client_addr = server.recvfrom(1024)
    print('from client:', get_msg)
    server.sendto(get_msg.upper(), client_addr)

# server.close()

udp客户端

import socket

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

while 1:
    msg = input('>>>：').strip()
    if msg == 'q':
        break
    if not msg:		# 其实，udp的套接字，支持客户端发空的，服务端也能收到空
        continue
    client.sendto(msg.encode('utf-8'), ip_port)
    get_msg, server_addr = client.recvfrom(1024)
    print(get_msg.decode('utf-8'))                     # 关闭客户套接字

UDP协议是数据报协议，发空的时候也会自带报头，因此客户端输入空，服务端也能收到。

基于udp的套接字是没有连接的，客户端和服务端都可以先开启套接字通信，也都可以提前结束通信，即客户离开不会影响到服务端的正常运行。

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练习1：远程执行命令（TCP）

基于tcp协议执行远程命令的练习。即模拟ftp软件，在本地执行操控远程计算机的需求。使用到subprocess模块。

server.py

from socket import *
import subprocess


def my_ftp(cmd):
    obj = subprocess.Popen(
        cmd, shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE
    )
    return obj.stdout.read(), obj.stderr.read() # (字节, 字节)
# 此处my_ftp返回的结果，元组里面是字节的数据格式，在windows上是gbk编码的，所以客户端收到后采用gbk解码

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(5)

while 1:
    conn, addr = server.accept()
    while 1:
        try:
            cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')
            if not cmd: break
            res_out, res_err = my_ftp(cmd)
            conn.send(res_out)
            conn.send(res_err)	# 此处服务端多次发数据，缓存会将数据量‘汇集差不多了’一块发出去
        except Exception as e:
            print(e)
            break
    conn.close()

client.py

from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while 1:
    cmd = input('>>>:').strip().encode('utf-8')
    if cmd == 'q': break
    if not cmd: continue
    client.send(cmd)
    result = client.recv(1024).decode('gbk')
    print(result)
client.close()

当客户端的命令对应的结果有很多数据时，此时客户端收仅仅只收1024个字节，这是有问题。这个问题就是基于tcp通信的粘包问题。

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粘包问题

首先要说明一点：tcp有粘包问题，udp没有粘包问题。

udp协议是基于数据报的形式，没有连接，发一次就完事，对象接收与否和我无关，接收多少和我无关。

# server.py

from socket import *
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
server.bind(ip_port)

data, client_addr = server.recvfrom(1024)	# 当这个接收数小于客户端发过来的数据个数时
data2, client_addr2 = server.recvfrom(1024)	# windows上直接报错，mac/linux接收指定个数的字节
print(data, data2)
server.close()



# client.py
from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

client.sendto('hello'.encode('utf-8'), ip_port)
client.sendto('hello'.encode('utf-8'), ip_port)
client.close()

socket收发消息的原理

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 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。
                                            
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；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。

• 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。

两种情况会发生粘包

• 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，数据量小会合到一起，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）。

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。

补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输

基于tcp的数据传输请参考文章http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html，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。

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解决粘包问题

解决思路：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，然后接收端来一个循环接收完所有数据。每个消息接收完，不留残余。

具体做法是：发送端发数据前，先将待发的数据长度告知接收端。将数据长度放在一个固定长度的字节中发给接收端；接收端先接收这个固定长度的数据头，从这个数据头中获悉待接收数据的长度，做好循环接收的准备。

server.py

from socket import *
import subprocess
import json, struct


def my_ftp(cmd):
    obj = subprocess.Popen(
        cmd, shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE
    )
    return obj.stdout.read(), obj.stderr.read() # (字节, 字节)


ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(5)

while 1:
    conn, addr = server.accept()
    while 1:
        try:
            cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')
            if not cmd: break
            res_out, res_err = my_ftp(cmd)
            total_size = len(res_out) + len(res_err)
			# 制作数据头，可以包含任意信息：数据大小，数据信息，数据md5值等
            data_info_dict = {
                'total_size': total_size,
            }

            data_header = json.dumps(data_info_dict).encode('utf-8')
            data_header_len = struct.pack('i', len(data_header))

            conn.send(data_header_len)   # 发头的长度
            conn.send(data_header)       # 发头(包含数据的长度)
            conn.send(res_out)      # 再发数据
            conn.send(res_err)
        except Exception as e:
            print(e)
            break
    conn.close()

client.py

from socket import *
import json, struct

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while 1:
    cmd = input('>>>:').strip().encode('utf-8')
    if cmd == 'q': break
    if not cmd: continue
    client.send(cmd)

    data_header_len = struct.unpack('i', client.recv(4))[0] # 接收数据头的长度
    data_header = json.loads(client.recv(data_header_len).decode('utf-8'))  # 接收数据头并反序列出数据头
    total_size = data_header.get('total_size')  # 解析数据头获取数据总长度
    recv_size = 0
    while recv_size < total_size:   # 循环接收数据
        data = client.recv(1024)
        recv_size += len(data)
        print(data.decode('gbk'), end='')
    else:
        print()


client.close()

补充：struct模块

使用这个模块的一个好处是可以将一个数字转化成固定长度的bytes，还可以将这个字节解包成原本的数字。

struct模块的使用请参考博客，或官网文档。

>>> import struct
>>> struct.pack('i', 12345)		
b'90\x00\x00'
>>> res = struct.pack('i', 12345)	
# 采用i模式，将数字12345打包成4个长度的字节。每种模式适用的数字范围不同

>>> struct.unpack('i', res)		# 将字节解包成原本数字，元组中的第一个元素
(12345,)

---

socketserver实现并发

实现并发效果，主要是修改服务端代码

基于tcp协议

# server.py

import socketserver

# 自定义一个处理通信的类，继承BaseRequestHandler
class MyRequestHandle(socketserver.BaseRequestHandler):
    
    # 重写父类的handle方法，该方法实现通信循环
    def handle(self):
        # 如果tcp协议，self.request => conn
        # 如果tcp协议，self.client_address => client_addr
        while True:
            try:
                msg = self.request.recv(1024)
                if len(msg) == 0: break
                self.request.send(msg.upper())
            except Exception:
                break
        self.request.close()

#  服务端应该做两件事
# 第一件事：循环地从半连接池中取出链接请求与其建立双向链接，拿到链接对象
s = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8889),MyRequestHandle)
# server_forever()不停的循环等到那客户端请求连接
s.serve_forever()
# 等同于
# while True:
#     conn,client_addr=server.accept()
#     启动一个线程(conn,client_addr)

基于udp协议

# server.py
import socketserver

class MyRequestHanlde(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        client_data=self.request[0]	# 元组内第一个数据时客户端发送过来的数据消息
        server=self.request[1]	# 
        client_address=self.client_address
        print('客户端发来的数据%s' %client_data)
        server.sendto(client_data.upper(),client_address)


s=socketserver.ThreadingUDPServer(("127.0.0.1",8888),MyRequestHanlde)
s.serve_forever()
# 相当于:只负责循环地收
# while True:
#     data,client_addr=server.recvfrom(1024)
#     启动一个线程处理后续的事情(data,client_addr)