基于TCP和UDP的套接字(socket)和粘包的问题和解决方法

　　这两天学习了基于TCP和UDP的套接字(socket)和粘包的问题和解决方法

　　一、TCP套接字服务端代码

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(conn)
    # print(addr)
    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

        # 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

        print(msg,type(msg))

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

    conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

服务端改进版

　　TCP客户端代码

　　

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()          

　　二、UDP套接字服务端代码

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)

　　UDP套接字客户端代码

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)

udp客户端

　　三、粘包现象及解决方法

　　须知：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包

　　原因：

　　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。
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。

　　四、解决粘包的方法(struct模块)

　　客户端

import socket,struct

c = socket.socket()

# 连接服务器
c.connect(("127.0.0.1",65535))

while True:
    # 发送数据
    msg = input(">>>:")
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode("utf-8"))

    # 1.先获取长度
    bytes_len = c.recv(4) #对方是i格式 固定4字节
    # 2.转回整型
    total_len = struct.unpack("i",bytes_len)[0]
    # 已经接收的长度
    recv_len = 0
    # 一个表示最终数据的bytes
    finally_data = b''
    # 3.收到的长度小于总长度就继续
    while recv_len < total_len:
        # 循环收数据
        data = c.recv(1024)
        recv_len += len(data)
        finally_data += data
    # 整体解码
    print(finally_data.decode("gbk"))

# 关闭资源
c.close()

　　服务端

#  1.服务器先启动 -> 客户端发送指令 -> 服务器接收后使用subprocess执行命令->将执行结果返回给客户端

import socket,subprocess,struct
# 使用TCP 可以直接默认
server = socket.socket()

# 指定端口 和 ip     端口 0 - 1023是系统保留的
server.bind(("127.0.0.1",65535))

# 监听请求  参数为最大半连接数(三次握手未完成的请求  可能是服务器来不及 客户端恶意攻击)
server.listen(5)
# 为了可以不断的接受客户端连接请求
while True:
    # 接受连接请求
    c,addr = server.accept()
    # 为了可以重复收发数据
    while True:
        try:
            # 1024  程序的最大缓冲区容量   返回值类型为bytes类型
            cmd = c.recv(1024).decode("utf-8")
            # 如果客户端断开连接(客户端调用了close) recv 返回值为kong 此时应该结束循环
            if not cmd:# 在linux中 客户端异常关闭 服务器也会收空
                print("client closed!")
                c.close()
                break
            #解码
            print(cmd)
            # 执行命令
            p = subprocess.Popen(cmd,shell=True,stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
            # 将错误信息和正确信息拼接到一起
            res = p.stderr.read() + p.stdout.read()
            print("执行结果长",len(res))


            # 1.先发送数据的长度
            data_len = len(res)
            # 长度是一个整型 需要转为字节  1000 b'\x001'  2000 b'\x001\x002'
            # 另外 需要保证 长度信息转换后的结果长度是固定的 否则客户端也会粘包(不知道取多少字节)
            # struct 模块负责将python中的数据类型 转为c语言中结构体
            # 整型转字节
            bytes_len = struct.pack("i",data_len)
            c.send(bytes_len)
            # 2.发送真实数据
            c.send(res)
        except ConnectionResetError:
            print("客户端异常关闭!!")
            c.close()
            break
# 关闭资源
server.close()