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  • 套接字,TCP,UDP

    一、Socket

    1、socket由来

    #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。
    #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。

    2、socket分类

    #1、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
    
    #2、基于网络类型的套接字家族
        套接字家族的名字:AF_INET
    常用的TCP/IP协议的3种套接字类型如下所示。
    
    #流式套接字(SOCK_STREAM):     TCP
        流式套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复发送,并按顺序接收。流式套接字之所以能够实现可靠的数据服务,原因在于其使用了传输控制协议,即TCP(The Transmission Control Protocol)协议。
    
    #数据报套接字(SOCK_DGRAM):
        数据报套接字提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性,数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复,且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP(User Datagram Protocol)协议进行数据的传输。由于数据报套接字不能保证数据传输的可靠性,对于有可能出现的数据丢失情况,需要在程序中做相应的处理。
    
    #原始套接字(SOCK_RAW):
        原始套接字(SOCKET_RAW)允许对较低层次的协议直接访问,比如IP、 ICMP协议,它常用于检验新的协议实现,或者访问现有服务中配置的新设备,因为RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多种协议,能够对网络底层的传输机制进行控制,所以可以应用原始套接字来操纵网络层和传输层应用。比如,我们可以通过RAW SOCKET来接收发向本机的ICMP、IGMP协议包,或者接收TCP/IP栈不能够处理的IP包,也可以用来发送一些自定包头或自定协议的IP包。网络监听技术很大程度上依赖于SOCKET_RAW
    
    
    #原始套接字与标准套接字(标准套接字指的是前面介绍的流式套接字和数据报套接字)的区别在于:
        原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包,而流式套接字只能读取TCP协议的数据,数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此,如果要访问其他协议发送数据必须使用原始套接字。
    流式套接字/数据报套接字/原始套接字

    3、socket常用方法

    #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
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    二、基于TCP协议的套接字  

    1、TCP简介

    #是什么
        传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

    2、三次握手

    刚开始, 客户端和服务器都处于 CLOSE 状态. 
    此时, 客户端向服务器主动发出连接请求, 服务器被动接受连接请求.
    
    1, TCP服务器进程先创建传输控制块TCB, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN(监听)状态 
    
    2, TCP客户端进程也是先创建传输控制块TCB, 然后向服务器发出连接请求报文,此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x, 此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定, SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。 
    
    3, TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y, 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。 
    
    4, TCP客户端进程收到确认后还, 要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,确认序号是 y+1,自己的序列号是 x+1. 
    
    5, 此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。
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    如图:(TCP是基于链接的,必须先启动服务端,然后再启动客户端去连接服务端)

    3、四次挥手

    数据传输完毕后,双方都可以释放连接. 
    此时客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动断开连接,服务器被动断开连接.
    
    1, 客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。 
    释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。 
    
    2, 服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,确认序号为 u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。 
    TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。 
    
    3, 客户端收到服务器的确认请求后,此时客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最终数据) 
    4, 服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,确认序号为v+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
     
    5, 客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,确认序号为w+1,而自己的序列号是u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。 
    
    6, 服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
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    如图

    上图中 为什么客户端还要等s=2SML

    MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
    
    第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。
    
    第二,防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
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    4、如果已经建立了连接,客户端突发故障了

    TCP设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。
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    5、代码实现

    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,接收数据大小
    
            # 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
    
            conn.send(msg.upper())          #发消息,说话
    
        conn.close()                    #挂电话
    
    s.close()                       #手机关机
    服务端
    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
    客户端

    三、基于UDP的套接字

    1、UDP简介

    #是什么
        用户数据报协议
    #UDP是一个无连接协议,把数据报发送出去,但并不保证它们能够到达目的地
    它是无连接的,先启动哪一端都可以

    2、TCP与UDP的区别

    3、简单代码示例

    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)
    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)
    
    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)
    客户端

    4、模拟qq聊天(UDP是无连接的,可以同时多个客户端跟服务端通信)

    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)
    服务端
    import socket
    BUFSIZE=1024
    udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
    
    qq_name_dic={
        'c1':('127.0.0.1',8081),
        'c2':('127.0.0.1',8081),
        'c3':('127.0.0.1',8081),
        'c4':('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1
    import socket
    BUFSIZE=1024
    udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
    
    qq_name_dic={
        'c1':('127.0.0.1',8081),
        'c2':('127.0.0.1',8081),
        'c3':('127.0.0.1',8081),
        'c4':('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

    四、粘包

    1、粘包简介

    #只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包,所谓粘包,主要问题是接收方不知道消息的边界,不知道一次性取多少字节造成的

    2、发生粘包的两种情况

    #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)
    
    
    #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) 

    3、如何解决粘包

    #1、先发送长度信息,再发送真实信息
    
    #2、struct模块
    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()
    服务端(自定制报头)
    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
    客户端(自定制报头)
    import socket,struct
    s = socket.socket()
    s.bind(("127.0.0.1",8888))
    s.listen(5)
    conn,addr = s.accept()
    c_len_data = conn.recv(4)
    c_len = struct.unpack("i",c_len_data)
    print(c_len)      #执行后  >>(28,)  输出的是元组类型,需要取第一个
    
    客户端
    import socket,json,struct
    c = socket.socket()
    c.connect(("127.0.0.1",8888))
    c_dic = {"name":"pdun","age":"1"}
    c_data = json.dumps(c_dic).encode("utf-8")
    c_len = struct.pack("i",len(c_data))
    c.send(c_len)
    c.send(c_data)
    struct
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