SOCKET通信实例及原理

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OSI七层模型 & SOCKET通信协议

那么 什么是SOCKET协议

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。

SOCKET协议工作流程

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。

关键函数

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

黏包现象

SOCKET底层收发原理图

发送端可以发送任意长度的数据，而接收端的应用程序可以接受任意长度数据（不考虑网络环境限制的情况），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。

打个比方：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。

所以说

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。

TCP|UDP & 黏包

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。 也就是说，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。

++总的来说++

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。

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。

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。

两种情况下会发生粘包

1、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）

2、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）

一种拆包的情况

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。

具体探讨Socket Receive数据一次性接收不全的问题

场景

在发送端，一次发送4092个字节，

在接收端，一次接收4092个字节，

但是在接收端，偶尔会出现 socket.receive 接收不全的情况 ，

ret = sockTemp.Receive(bBuffer,iBufferLen,0); //也有可能无法收到全部数据！

必须要考虑0 < ret < iBufferLen的情况：继续接收iBufferLen - ret字节，然后合并

Socket的Send,Recv的长度问题：

一个包没有固定长度，以太网限制在46－1500字节，1500就是以太网的MTU，超过这个量，TCP会为IP数据报设置偏移量进行分片传输，现在一般可允许应用层设置8k（NTFS系统）的缓冲区，8k的数据由底层分片，而应用层看来只是一次发送。

windows的缓冲区经验值是4k。 Socket本身分为两种，流(TCP)和数据报(UDP)，你的问题针对这两种不同使用而结论不一样。甚至还和你是用阻塞、还是非阻塞Socket来编程有关。

1、通信长度

这个是你自己决定的，没有系统强迫你要发多大的包，实际应该根据需求和网络状况来决定。对于TCP，这个长度可以大点，但要知道，Socket内部默认的收发缓冲区大小大概是8K，你可以用SetSockOpt来改变。但对于UDP，就不要太大，一般在1024至10K。注意一点，你无论发多大的包，IP层和链路层都会把你的包进行分片发送，一般局域网就是1500左右，广域网就只有几十字节。分片后的包将经过不同的路由到达接收方，对于UDP而言，要是其中一个分片丢失，那么接收方的IP层将把整个发送包丢弃，这就形成丢包。显然，要是一个UDP发包佷大，它被分片后，链路层丢失分片的几率就佷大，你这个UDP包，就佷容易丢失，但是太小又影响效率。最好可以配置这个值，以根据不同的环境来调整到最佳状态。

send()函数返回了实际发送的长度，在网络不断的情况下，它绝不会返回(发送失败的)错误，最多就是返回0。对于TCP你可以写一个循环发送。当send函数返回SOCKET_ERROR时，才标志着有错误。但对于UDP，你不要写循环发送，否则将给你的接收带来极大的麻烦。所以UDP需要用SetSockOpt来改变Socket内部Buffer的大小，以能容纳你的发包。明确一点，TCP作为流，发包是不会整包到达的，而是源源不断的到，那接收方就必须组包。而UDP作为消息或数据报，它一定是整包到达接收方。

2、关于接收

一般的发包都有包边界，首要的就是你这个包的长度要让接收方知道，于是就有个包头信息，对于TCP，接收方先收这个包头信息，然后再收包数据。一次收齐整个包也可以，可要对结果是否收齐进行验证。这也就完成了组包过程。UDP，那你只能整包接收了。要是你提供的接收Buffer过小，TCP将返回实际接收的长度，余下的还可以收，而UDP不同的是，余下的数据被丢弃并返回WSAEMSGSIZE错误。注意TCP，要是你提供的Buffer佷大，那么可能收到的就是多个发包，你必须分离它们，还有就是当Buffer太小，而一次收不完Socket内部的数据，那么Socket接收事件(OnReceive)，可能不会再触发，使用事件方式进行接收时，密切注意这点。这些特性就是体现了流和数据包的区别。补充一点，接收BuffSize >= 发送BuffSize >= 实际发送Size，对于内外部的Buffer都适用，上面讲的主要是Socket内部的Buffer大小关系。

3、TCP是有多少就收多少

如果没有当然阻塞Socket的recv就会等，直到有数据，非阻塞Socket不好等，而是返回WSAEWOULDBLOCK。UDP，如果没有数据，阻塞Socket就会等，非阻塞Socket也返回WSAEWOULDBLOCK。如果有数据，它是会等整个发包到齐，并接收到整个发包，才返回。

几种解决黏包的方子

黏包的根源在于：接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度，因此解决黏包的本质就是，让发送端在发送数据前，将自己要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端按某种规则接收完所有数据。

死循环接收

即接收端循环接收完发送端所有的数据

弊端：性能损耗

why？ 因为程序运行的速度远快于网络传输速度，所以在发送一段字节前，先用send去发送该字节流长度，这种方式会发大由于网络延迟带来的性能损耗。

加消息保护

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，然后依次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取出真实数据。

import json,struct
#假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt

#为避免粘包,必须自定制报头
header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T数据,文件路径和md5值

#为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes
head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成bytes,用于传输

#为了让客户端知道报头的长度,用struck将报头长度这个数字转成固定长度:4个字节
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #这4个字节里只包含了一个数字,该数字是报头的长度

#客户端开始发送
conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes
conn.send(head_bytes) #再发报头的字节格式
conn.sendall(文件内容) #然后发真实内容的字节格式

#服务端开始接收
head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度

head_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取报头

#最后根据报头的内容提取真实的数据,比如
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

一个大佬的字节流处理结构

#_*_coding:utf-8_*_
#http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
__author__ = 'Linhaifeng'
import struct
import binascii
import ctypes

values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
s1 = struct.Struct('I3sf')
s2 = struct.Struct('4sI')

print(s1.size,s2.size)
prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
# t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
# print(t)


s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)

print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))

s3=struct.Struct('ii')
s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s3.unpack_from(prebuffer,0))

TCP-client的程序: 先发报头长度、在编码报头内容，然后发送，最后发送真实内容。

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()

TCP-server程序：先接收报头长度，再通过字节流处理程序取出报头，然后根据取出的长度收取报头内容，再然后编码、反序列化，最后从反序列化的结果中取出待取数据的详细信息，然后取出真实的数据内容。

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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