【Python3之socket编程】

一、socket的定义

　　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。

补充：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

二、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

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，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

三、套接字的工作流程

  　　一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。

生活中的场景就解释了套接字的工作原理

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。

四、socket函数使用

• socket函数用法

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)

#由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
#例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

• 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

• 面向文件的套接字方法

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

打电话的流程演示

服务端.py

import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #插电话卡

phone.listen(5) #开机，backlog

print('starting....')
conn,addr=phone.accept() #接电话
print(conn)
print('client addr',addr)
print('ready to read msg')
client_msg=conn.recv(1024) #收消息
print('client msg: %s' %client_msg)
conn.send(client_msg.upper()) #发消息

conn.close()
phone.close()

客户端.py

import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #拨通电话

phone.send('hello'.encode('utf-8')) #发消息

back_msg=phone.recv(1024)
print(back_msg)

phone.close()

输出

服务端：

starting....
<socket.socket fd=4, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080), raddr=('127.0.0.1', 65142)>
client addr ('127.0.0.1', 65142)
ready to read msg
client msg: b'hello'

客户端

b'HELLO'

五、基于TCP的套接字

• tcp服务端 

ss = socket() #创建服务器套接字
ss.bind()      #把地址绑定到套接字
ss.listen()      #监听链接
inf_loop:      #服务器无限循环
    cs = ss.accept() #接受客户端链接
    comm_loop:         #通讯循环
        cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)
    cs.close()    #关闭客户端套接字
ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

• tcp客户端

cs = socket()    # 创建客户套接字
cs.connect()    # 尝试连接服务器
comm_loop:        # 通讯循环
    cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)
cs.close()            # 关闭客户套接字

socket通信流程与打电话流程类似，我们就以打电话为例来实现一个low版的套接字通信

服务端

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)  #电话卡
BUFSIZE=1024                #收发消息的尺寸
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


conn,addr=s.accept()            #手机接电话
# print(conn)
# print(addr)
print('接到来自%s的电话' %addr[0])

msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话
print(msg,type(msg))

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

conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

客户端

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

s.connect_ex(ip_port)           #拨电话

s.send('nitouxiang nb'.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

输出

服务端

接到来自127.0.0.1的电话
b'nitouxiang nb' <class 'bytes'>

客户端

NITOUXIANG NB

上述流程的问题是，服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，下面是修改版

 服务端

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
        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

客户端

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

补充：

在重启服务端时可能会遇到

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（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）

解决办法

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))

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

六、基于UDP的套接字

• udp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

• udp客户端

cs = socket()   # 创建客户套接字
comm_loop:      # 通讯循环
    cs.sendto()/cs.recvfrom()   # 对话(发送/接收)
cs.close()                      # 关闭客户套接字

示例

服务端

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)

客户端

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)

输出

客户端

>>: 123
123 ('127.0.0.1', 9000)
>>: 3
3 ('127.0.0.1', 9000)
>>: 4
4 ('127.0.0.1', 9000)

服务端

b'123' ('127.0.0.1', 53066)
b'3' ('127.0.0.1', 53066)
b'4' ('127.0.0.1', 53066)

模拟QQ聊天，多个客户端和服务端通信

服务端

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:33[1;44m%s33[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)

客户端1

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

qq_name_dic={
    'TOM':('127.0.0.1',8081),
    'JACK':('127.0.0.1',8081),
    '一棵树':('127.0.0.1',8081),
    '武大郎':('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:33[1;44m%s33[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))

udp_client_socket.close()

客户端2

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

qq_name_dic={
    'TOM':('127.0.0.1',8081),
    'JACK':('127.0.0.1',8081),
    '一棵树':('127.0.0.1',8081),
    '武大郎':('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:33[1;44m%s33[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))

udp_client_socket.close()

输出

客户端1

请选择聊天对象: JACK
请输入消息,回车发送: 约不
来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:不约
请输入消息,回车发送: 

客户端2

请选择聊天对象: TOM
请输入消息,回车发送: 123
来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:321
请输入消息,回车发送: 

服务端

来自[127.0.0.1:62851]的一条消息:123
回复消息: 321
来自[127.0.0.1:60378]的一条消息:约不
回复消息: 不约

七、recv与recvfrom

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.send与sendinto

tcp是基于数据流的，而udp是基于数据报的：

• send(bytes_data):发送数据流，数据流bytes_data若为空，自己这段的缓冲区也为空，操作系统不会控制tcp协议发空包
• sendinto(bytes_data,ip_port)：发送数据报，bytes_data为空，还有ip_port,所有即便是发送空的bytes_data,数据报其实也不是空的，自己这端的缓冲区收到内容，操作系统就会控制udp协议发包。

 

2.recv与recvfrom

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（阻塞很简单，就是一直在等着收）

（2）只不过tcp协议的客户端send一个空数据就是真的空数据，客户端即使有无穷个send空，也跟没有一个样。

（3）tcp基于链接通信

• 基于链接，则需要listen（backlog），指定半连接池的大小
• 基于链接，必须先运行的服务端，然后客户端发起链接请求
• 对于mac系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端在收消息后加上if判断，空消息就break掉通信循环)
• 对于windows/linux系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端通信循环内加异常处理，捕捉到异常后就break掉通讯循环)

udp协议

（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom也会阻塞

（2）只不过udp协议的客户端sendinto一个空数据并不是真的空数据（包含：空数据+地址信息，得到的报仍然不会为空），所以客户端只要有一个sendinto（不管是否发送空数据，都不是真的空数据），服务端就可以recvfrom到数据。

（3）udp无链接

• 无链接，因而无需listen（backlog），更加没有什么连接池之说了
• 无链接，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，只不过数据丢失
• recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，在mac和linux系统上数据直接丢失，在windows系统上发送的比接收的大直接报错
• 只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失 

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是基于链接的，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，任何一方试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。

基于tcp先制作一个远程执行命令的程序（1：执行错误命令 2：执行ls 3：执行ifconfig）

客户端

import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8080)

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(ip_port)

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == 'quit':break

    s.send(msg.encode('utf-8'))
    act_res=s.recv(BUFSIZE)

    print(act_res.decode('utf-8'),end='')

服务端

from socket import *
import subprocess

ip_port=('127.0.0.1',8080)
BUFSIZE=1024

tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)

while True:
    conn,addr=tcp_socket_server.accept()
    print('客户端',addr)

    while True:
        cmd=conn.recv(BUFSIZE)
        if len(cmd) == 0:break

        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stdin=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)

        stderr=res.stderr.read()
        stdout=res.stdout.read()
        conn.send(stderr)
        conn.send(stdout)

输出

客户端

>>: ls
1.py
客户端.py
客户端1.py
客户端2.py
服务端.py
>>: ifconfig en0
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether 78:4f:43:5b:a5:4c 
    inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 
    inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
>>: ifconfig
lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384
    options=1203<RXCSUM,TXCSUM,TXSTATUS,SW_TIMESTAMP>
    inet 127.0.0.1 netmask 0xff000000 
    inet6 ::1 prefixlen 128 
    inet6 fe80::1%lo0 prefixlen 64 scopeid 0x1 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
gif0: flags=8010<POINTOPOINT,MULTICAST> mtu 1280
stf0: flags=0<> mtu 1280
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether 78:4f:43:5b:a5:4c 
    inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 
    inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
en1: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:00 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en3: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:01 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en2: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500>>: 
>>: 

服务端

客户端 ('127.0.0.1', 58194)

上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包

服务端

from socket import *
import subprocess

ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
udp_server.bind(ip_port)

while True:
    #收消息
    cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
    print('用户命令----->',cmd)

    #逻辑处理
    res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
    stderr=res.stderr.read()
    stdout=res.stdout.read()

    #发消息
    udp_server.sendto(stderr,addr)
    udp_server.sendto(stdout,addr)
udp_server.close()

客户端

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9003)
bufsize=1024

udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)


while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

    data,addr=udp_client.recvfrom(bufsize)
    print(data.decode('utf-8'),end='')

上述程序是基于udp的socket，在运行时永远不会发生粘包

注意注意注意：

res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
shell=True,
stderr=subprocess.PIPE,
stdout=subprocess.PIPE)

的结果的编码是以当前所在的系统为准的，如果是windows，那么res.stdout.read()读出的就是GBK编码的，在接收端需要用GBK解码且只能从管道里读一次结果

八、粘包

1.什么是粘包

粘包：发送方发送两个字符串”hello”+”world”，接收方却一次性接收到了”helloworld”。

只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包。

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。

补充：

分包：发送方发送字符串”helloworld”，接收方却接收到了两个字符串”hello”和”world”。

TCP是以段（Segment）为单位发送数据的，建立TCP链接后，有一个最大消息长度（MSS）。如果应用层数据包超过MSS，就会把应用层数据包拆分，分成两个段来发送。这个时候接收端的应用层就要拼接这两个TCP包，才能正确处理数据。

补充：

一个socket收发消息的原理

2.粘包如何产生

TCP为了提高网络的利用率，会使用一个叫做Nagle的算法。该算法是指，发送端即使有要发送的数据，如果很少的话，会延迟发送。如果应用层给TCP传送数据很快的话，就会把两个应用层数据包“粘”在一起，TCP最后只发一个TCP数据包给接收端。

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。

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）

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',8085)

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
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8085)

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'))

输出

服务端

-----> hellofeng　　　　#出现粘包现象
-----> 

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 *
ip_port=('127.0.0.1',8089)

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'))

conn.close()

import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8089)

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(ip_port)


s.send('hello feng'.encode('utf-8'))

输出

-----> he
-----> llo feng

补充：

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

3.如何解决粘包问题

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，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取真实数据

struct模块 

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

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)

示例：

我们可以把报头做成字典，字典里包含将要发送的真实数据的详细信息，然后json序列化，然后用struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）

发送时：

先发报头长度

再编码报头内容然后发送

最后发真实内容

接收时：

先手报头长度，用struct取出来

根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化

从反序列化的结果中取出待取数据的详细信息，然后去取真实的数据内容

import socket
import subprocess
import struct
import json
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8082)) #插电话卡
phone.listen(5) #开机，backlog
while True:
    print('starting....')
    conn,addr=phone.accept()
    print('cliet addr',addr)
    while True:
        try:
            cmd=conn.recv(1024)
            if not cmd:break
            res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
                             stdout=subprocess.PIPE,
                             stderr=subprocess.PIPE)
            err=res.stderr.read()
            if err:
                cmd_res=err
            else:
                cmd_res=res.stdout.read()

            # conn.send(struct.pack('i',len(cmd_res))) #先报报头
            head_dic={'filename':None,'hash':None,'total_size':len(cmd_res)}
            head_json=json.dumps(head_dic)
            head_bytes=head_json.encode('utf-8')

            #先发送报头的长度
            conn.send(struct.pack('i',len(head_bytes)))

            #再发送报头的bytes
            conn.send(head_bytes)

            #最后发送真实的数据
            conn.send(cmd_res)

        except Exception:
            break
    conn.close()
phone.close()

import socket
import struct
import json
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8082)) #拨通电话

while True: #通信循环
    cmd=input('>>: ').strip()
    if not cmd:continue #防止客户端发空
    phone.send(cmd.encode('utf-8')) #发消息

    #先收报头的长度
    head_struct=phone.recv(4)
    head_len=struct.unpack('i',head_struct)[0]

    #再收报头的bytes
    head_bytes=phone.recv(head_len)
    head_json=head_bytes.decode('utf-8')
    head_dic=json.loads(head_json)

    #最后根据报头里的详细信息取真实的数据
    print(head_dic)
    total_size=head_dic['total_size']
    recv_size=0
    data=b''
    while recv_size < total_size: #10240 +1
        recv_data=phone.recv(1024)
        data+=recv_data
        recv_size+=len(recv_data)
    print(data.decode('utf-8'))
phone.close()

输出

>>: ls
{'total_size': 69, 'hash': None, 'filename': None}
1.py
c.py
s.py
客户端.py
客户端1.py
客户端2.py
服务端.py

>>: ifconfig
{'total_size': 2990, 'hash': None, 'filename': None}
lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384
    options=1203<RXCSUM,TXCSUM,TXSTATUS,SW_TIMESTAMP>
    inet 127.0.0.1 netmask 0xff000000 
    inet6 ::1 prefixlen 128 
    inet6 fe80::1%lo0 prefixlen 64 scopeid 0x1 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
gif0: flags=8010<POINTOPOINT,MULTICAST> mtu 1280
stf0: flags=0<> mtu 1280
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether 78:4f:43:5b:a5:4c 
    inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 
    inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
en1: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:00 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en3: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:01 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en2: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:04 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en4: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:05 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
bridge0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    options=63<RXCSUM,TXCSUM,TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:00 
    Configuration:
        id 0:0:0:0:0:0 priority 0 hellotime 0 fwddelay 0
        maxage 0 holdcnt 0 proto stp maxaddr 100 timeout 1200
        root id 0:0:0:0:0:0 priority 0 ifcost 0 port 0
        ipfilter disabled flags 0x2
    member: en1 flags=3<LEARNING,DISCOVER>
            ifmaxaddr 0 port 6 priority 0 path cost 0
    member: en2 flags=3<LEARNING,DISCOVER>
            ifmaxaddr 0 port 8 priority 0 path cost 0
    member: en3 flags=3<LEARNING,DISCOVER>
            ifmaxaddr 0 port 7 priority 0 path cost 0
    member: en4 flags=3<LEARNING,DISCOVER>
            ifmaxaddr 0 port 9 priority 0 path cost 0
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: <unknown type>
    status: inactive
p2p0: flags=8843<UP,BROADCAST,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 2304
    ether 0a:4f:43:5b:a5:4c 
    media: autoselect
    status: inactive
awdl0: flags=8943<UP,BROADCAST,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1484
    ether 76:77:9e:05:58:d1 
    inet6 fe80::7477:9eff:fe05:58d1%awdl0 prefixlen 64 scopeid 0xc 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
utun0: flags=8051<UP,POINTOPOINT,RUNNING,MULTICAST> mtu 2000
    inet6 fe80::9572:8b04:187d:f5c6%utun0 prefixlen 64 scopeid 0xd 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
utun1: flags=8051<UP,POINTOPOINT,RUNNING,MULTICAST> mtu 1380
    inet6 fe80::5fbd:ded2:9ab2:309c%utun1 prefixlen 64 scopeid 0x12 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
en5: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether ac:de:48:00:11:22 
    inet6 fe80::aede:48ff:fe00:1122%en5 prefixlen 64 scopeid 0x4 
    nd6 options=281<PERFORMNUD,INSECURE,DAD>
    media: autoselect
    status: active

>>: 

服务端

starting....
cliet addr ('127.0.0.1', 59162)