=======================摘自https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/6129246.html ======================
一、SOCKET编程
1、软件架构:软件架构分为c/s和b/s架构,即客户端/服务器和浏览器/服务器的模式。
学习socket就是为了完成c/s架构的编程;
2、OSI七层协议
常见的osi七层协议也叫TCP/IP四层或者TCP/IP五层协议
每层对应的物理设备
3、网络协议
c/s架构的软件是基于网络进行通信的,网络的核心就是一堆协议,协议即标准,想要开发一款基于网络通信的软件,就必须遵循这些协议;
在OSI七层协议中,socket层位于应用层和传输层的中间;
4、socket
socket是应用层与TCP/IP协议簇通信的中间软件抽象层,它是一组接口。它把复杂的TCP/IP协议簇隐藏在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;
常见的套接字家族
(1)、基于文件类型的套接字家族:AF_UNIX
unix一切皆文件,基于文件的套接字调用就是底层的文件系统来去数据,两个套接字进程运行在同一机器,可以通过访问一个文件
系统间接完成通讯;
(2)、基于网络类型的套接字家族:AF_INET
(3)、socket套接字工作原理
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。客户端初始化一个socket,然后连接服务器(connect),如果连接成功,这是客户端与服务器端的的连接就建立了。
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,依次交互结束。
(4)、套接字通信原理
(4)、socket套接字函数
import socket s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) """ a、服务器端套接字函数 s.bind() 绑定(主机端口)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 b、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,出错时返回错误码,而不是抛出异常 c、公共用途的套接字函数 s.recv() 接受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,数据不会丢失,循环调用send知道发完) 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.getsocname()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 d、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.timeout()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 e、面向文件的套接字函数 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 """
5、基于TCP的套接字
(1)、一次性通信
server端
### ###导入socket import socket ###socket实例化 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) print(phone) ###绑定ip、端口 phone.bind(("127.0.0.1",8000)) ###连接数 phone.listen(5) ###相当于TCP连接 conn,addr =phone.accept() ###接收信息 msg = conn.recv(1024) print("服务器接收到客户端的信息为:%s" %msg) ###发送信息 conn.send(msg.upper()) ###关闭连接 conn.close() ###挂壁socket phone.close()
client端
import socket ####socket实例化 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) ##连接服务器 phone.connect(("172.81.251.35",8000)) ###发送消息 phone.send("hello".encode("utf-8")) ###接收消息 data = phone.recv(1024) print("收到服务端的发来的消息:" ,data)
(2)、循环通信
server端
### ###导入socket import socket ###socket实例化 tcp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) print(tcp_server) ###绑定ip、端口 ip_port = ("127.0.0.1",8000) tcp_server.bind(ip_port) ###连接数 tcp_server.listen(5) ###相当于TCP连接 while True: ###链接循环 print("服务端已经开始运行了!!!!") conn,addr =tcp_server.accept() print(conn,addr) ###接收信息 print("正在等在接收客户端数据!!!!") while True: ###通讯循环 try: server_rev_data = conn.recv(1024) print("服务器接收到客户端的信息为:",server_rev_data.decode("utf-8")) ###发送信息 conn.send(server_rev_data.upper()) except Exception: break ###关闭连接 conn.close() ###挂壁socket tcp_server.close()
client端
import socket ####socket实例化 tcp_client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) ##连接服务器 ip_port = ("127.0.0.1",8000) tcp_client.connect(ip_port) print(tcp_client) ###发送消息 while True: ###循环通信 msg_send = input("请输入你访问服务器的资源:") if not msg_send:continue ###为空处理 tcp_client.send(msg_send.encode("utf-8")) ###接收消息 data = tcp_client.recv(1024) print("客户端接收到服务端返回的资源:",data.decode("utf-8")) tcp_client.close()
备注:在重启服务端的时候可能会遇到Address Already in use的错误:
这是由于服务器端存在四次挥手的time_wait状态占用地址(在TCP三次握手,四次挥手、syn洪水攻击,服务器高并发的情况下会有大量的time_wait状态)
###优化方法:在实例socket与绑定ip、端口的中间加上 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))
6、基于UDP套接字
(1)、udp套接字
server端
from socket import * udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) ip_port = ("127.0.0.1",8080) udp_server.bind(ip_port) buffer_size = 1024 while True: print("服务器开始接收消息!!!") data_rev,addr= udp_server.recvfrom(buffer_size) print(data_rev) data_send = udp_server.sendto(data_rev.upper(),addr)
client端
from socket import * udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) ip_port = ("127.0.0.1",8080) buffer_size = 1024 while True: msg_client = input("请输入需要发送的消息:") udp_client.sendto(msg_client.encode("utf-8"),ip_port) print(udp_client.recvfrom(buffer_size))
(2)、时间服务器
server端
from socket import * import time udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) ip_port = ("127.0.0.1",8080) udp_server.bind(ip_port) buffer_size = 1024 while True: print("服务器开始接收消息!!!") data_rev,addr= udp_server.recvfrom(buffer_size) print(data_rev) back_time = time.strftime("%Y-$m-%d %X") data_send = udp_server.sendto(back_time.encode("utf-8"),addr)
client端
from socket import * udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) ip_port = ("127.0.0.1",8080) buffer_size = 1024 while True: msg_client = input("请输入需要发送的消息:") udp_client.sendto(msg_client.encode("utf-8"),ip_port) print(udp_client.recvfrom(buffer_size))
7、粘包现象
(1)、远程执行命令-tcp套接字
server端
import socket import subprocess cmd_server =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) ip_port = ("127.0.0.1",8080) cmd_server.bind(ip_port) cmd_server.listen(10) buffer_size =1024 while True: conn,addr = cmd_server.accept() while True: try: print("==============》》》》开始接收命令") cmd = conn.recv(buffer_size) res = subprocess.Popen(cmd.decode("gbk"),shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdout= subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE) print("=======》》》接收到的命令是:",cmd) err = res.stderr.read() if err: cmd_res = err else: cmd_res = res.stdout.read() if not cmd_res: cmd_res = "命令执行成功!!!".encode("gbk") conn.send(cmd_res) except Exception: break conn.close()
client端
import socket ip_port = ("127.0.0.1",8080) buffer_size =1024 cmd_client =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) cmd_client.connect(ip_port) while True: cmd = input("命令输入行:").strip() if not cmd:continue if cmd =="quit":break cmd_client.send(cmd.encode("utf-8")) cmd_res = cmd_client.recv(buffer_size) print(cmd_res.decode("gbk"))
备注:在远程执行命令的程序中,可能会出现粘包现象:执行下一条命令显示的是上一条命令的结果
(2)、粘包现象
a、只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包
发送端可以使1k1k地发送数据,而接收端的应用程序可以2k2k地提走数据,当然也有可能一次提走3k或5k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,或者是一个流(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是不同的。怎样定义消息呢?可以认为堆放一次性write/send的数据为一个消息,需要明白的是当对方send一条消息的时候,
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套接字的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,在接收方看来,根本不知道
文件的字节流从何处开始,在何处结束。所谓的粘包问题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。
a.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。
a.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。
a.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。
b、发生粘包的两种情况
第一种情况: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,数据量很小,或合并到一起,产生粘包)
server端
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8080) 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()
client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) s.send('hello'.encode('utf-8')) s.send('world'.encode('utf-8')) s.send('python'.encode('utf-8'))
第二种情况: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,服务器端只接收了一小部分,服务器端下次再接收的时候还是
从缓冲区拿上次遗留的数据,产生粘包)
server端
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8080) 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()
client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) s.send('hello world'.encode('utf-8'))
备注1:send和recv(1024)以及sendall
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。
c、解决粘包的方法
将发送方发送的长度告知接收方,然后对接收到的数据的长度与接收到的长度进行比较;
c.1、第一版:
server端
#!/usr/bin/env python # _*_ coding:utf-8 _*_ from socket import * import subprocess ip_port = ("127.0.0.1",8080) back_log = 5 buffer_size = 1024 cmd_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM) cmd_server.bind(ip_port) cmd_server.listen(back_log) while True: conn,add = cmd_server.accept() while True: msg = conn.recv(buffer_size) print("从客户端接收到命令:",msg) if not msg:break res = subprocess.Popen(msg.decode("utf-8"),shell=True, stdin =subprocess.PIPE, stderr = subprocess.PIPE, stdout = subprocess.PIPE) err = res.stderr.read() if err: ret =err else: ret = res.stdout.read() data_lentht = len(ret) conn.send(str(data_lentht).encode("utf-8")) data = conn.recv(buffer_size).decode("utf-8") if data == "recv_ready": conn.sendall(ret) conn.close()
client端
#!/usr/bin/env python # _*_ coding:utf-8 _*_ from socket import * import subprocess ip_port = ("172.81.251.35",8000) back_log = 5 buffer_size = 1024 cmd_client= socket(AF_INET,SOCK_STREAM) cmd_client.connect(ip_port) while True: msg = input("请输入你要执行的命令:").strip() if len(msg) == 0:continue if msg == "quit":break cmd_client.send(msg.encode("utf-8")) lenght = int(cmd_client.recv(buffer_size).decode("utf-8")) cmd_client.send("recv_ready".encode("utf-8")) send_size = 0 recv_size = 0 data = b"" while recv_size<lenght: data+=cmd_client.recv(buffer_size) recv_size=len(data) print(data.decode("utf-8"))
c.2、第二版
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,然后再取出真实数据;
c.2.1、struct模块
该模块可以把一个类型,如数字,转成固定长度的bytes;
下表为struct模块的格式与python类型的对照表
struct的用法
from socket import * import json,struct ip_port = ("172.81.251.35",8000) back_log = 5 buffer_size = 1024 cmd_client= socket(AF_INET,SOCK_STREAM) cmd_client.connect(ip_port) conn,add =cmd_client.accept() #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)
对粘包处理方法进行优化:
server端
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() ###发送自定义报头长度 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()
client端
#_*_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')) ###接收自定义报头 l=s.recv(4) x=struct.unpack('i',l)[0] ##反解自定义报头长度, print(type(x),x) # print(struct.unpack('I',l)) r_s=0 ###接收实质报文的处理 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