Python--基础之socket编程

一 客户端/服务器架构

即C/S架构，包括

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构(web服务)

美好的愿望：

最常用的软件服务器是 Web 服务器。一台机器里放一些网页或 Web 应用程序,然后启动 服务。这样的服务器的任务就是接受客户的请求,把网页发给客户(如用户计算机上的浏览器),然 后等待下一个客户请求。这些服务启动后的目标就是“永远运行下去”。虽然它们不可能实现这样的 目标,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就能运行非常长的一段时间。

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

二 osi七层

互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，全世界人通信的标准是英语，如果把计算机比作人，互联网协议就是计算机界的英语。所有的计算机都学会了互联网协议，那所有的计算机都就可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。

详见egon老师网络通信原理博客：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html

简单回顾：

单纯的二进制数字0,1（物理层：高电压对应数字1，低电压对应数字0）没有意义，数据链路层规定了一串二进制数字是一个帧或者数据包的概念，有固定长度的报头和数据部分，报头是用来描述数据部分的。

数据链路层跑的协议是以太网协议 

数据链路层基于mac地址工作

网络层：IP帮你找到是哪一个子网，mac地址确定对方机器在子网的具体位置

实际知道对方IP，通过ARP协议可以解析出对方mac地址

但是实际我们一般不是确定对方机器位置，而是确定对方某个应用程序的位置，就用到端口的概念，传输层协议：tcp协议和udp协议

应用层协议：http协议和FTP协议

为何学习socket一定要先学习互联网协议：

1.首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，来开发一款自己的C/S架构软件

2.其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

3.然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

4.最后：就让我们从这些标准开始研究，开启我们的socket编程之旅

三 socket层

我们需要注意无论是基于tcp的socket还是基于udp的socket：命名文件不要是socket，因为有socket模块

四 socket是什么

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

五 套接字发展史及分类

基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INET

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

六 套接字工作流程

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这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

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

socket()模块函数用法

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

七 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

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

下面以打电话为例说明tcp协议的socket函数用法。以下三例逐渐深入。

客户端
import socket
phone_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机

phone_client.connect(('192.168.16.24',8084)) #拨电话

phone_client.send('hello 你好吗'.encode('utf-8'))  #发消息,说话(只能发送字节类型)

server_res=phone_client.recv(1024)  #收消息,听话
print('server_res: ',server_res.decode('utf-8'))

phone_client.close()  #挂电话

服务端
import socket
phone_server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone_server.bind(('192.168.16.24',8084))  #手机插卡

phone_server.listen(5)  #手机待机
print('server run...')  
conn,client_addr=phone_server.accept()  #手机接电话
print('客户端: ',client_addr)

client_msg=conn.recv(1024)  #听消息,听话
print('client_msg: ',client_msg.decode('utf-8'))

conn.send('你个SB'.encode('utf-8'))  #发消息,说话

conn.close()  #挂电话
phone_server.close()  #手机关机

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

二例：

客户端
import socket
phone_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机

phone_client.connect(('127.0.0.1',8088))  #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 not msg:continue
    phone_client.send(msg.encode('utf-8'))  #发消息,说话(只能发送字节类型)
    print('has send')
    server_res=phone_client.recv(1024)  #收消息,听话
    print('server_res: ',server_res.decode('utf-8'))

phone_client.close()  #挂电话

服务端
import socket
phone_server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  #买手机
phone_server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone_server.bind(('127.0.0.1',8088))  #手机插卡

phone_server.listen(5)  #手机待机

print('server run...')
while True:  #新增接收链接循环,可以不停的接电话
    conn,client_addr=phone_server.accept()  #手机接电话
    print('客户端: ',client_addr)
    print(conn)

    while True:  #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息
        try:
            client_msg=conn.recv(1024)  #听消息,听话
            print('client_msg: ',client_msg.decode('utf-8'))
            conn.send(client_msg.upper())  #发消息,说话
        except Exception:
            break
    conn.close()  #挂电话

phone_server.close()  #手机关机

三例：

客户端
import socket
phone_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone_client.connect(('127.0.0.1',8088))
while True:
    cmd=input('>> ').strip()
    if not cmd:continue
    phone_client.send(cmd.encode('utf-8'))

    cmd_res=phone_client.recv(1024)
    print(cmd_res.decode('gbk')) #windows
    # print(cmd_res.decode('utf-8')) #linux

phone_client.close()

服务端
import socket
import subprocess
phone_server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone_server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone_server.bind(('127.0.0.1',8088))

phone_server.listen(5)

print('server run...')
while True:
    conn,client_addr=phone_server.accept()
    print('客户端: ',client_addr)

    while True:
        try:
            cmd=conn.recv(1024)

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

            conn.sendall(stdout+stderr)
        except Exception:
            break
    conn.close()
phone_server.close()

问题：

有的同学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）

解决方法：

解决方案一
#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))

解决方案二
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

方法二