第8天续，socket网络编程

目录

socket是什么？
socket(套接字)分类
    基于文件类型的套接字家族
    基于网络类型的套接字家族
套接字工作流程
socket()模块函数用法
    服务端套接字函数
    客户端套接字函数
    公共用途的套接字函数
    面向锁的套接字方法
    面向文件的套接字的函数
基于TCP的套接字
    写一个简单的基于TCP的C/S程序
        可能会遇到的问题
    基于TCP写一个远程执行命令的程序
什么是粘包
    两种情况下会发生粘包
    解决粘包问题
        低级版本的解决方法
        高级版本的解决方法

socket是什么？

Paste_Image.png

如上图，socket（套接字）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/IP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/IP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。

socket(套接字)分类

套接字有两种，分别是基于文件类型的套接字和基于网络类型的套接字；

基于文件类型的套接字家族

名称：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

名称：AF_INET
AF_INET用于ipv4，还有AF_INET6被用于ipv6，python网络编程，大部分时候我们只使用AF_INET。

套接字工作流程

Paste_Image.png

套接字工作流程：

1. 服务器端先初始化socket；
2. 然后与IP和端口绑定（bind）；
3. 对端口进行监听（listen）;
4. 调用accept阻塞，等待客户端连接；
5. 如果有客户端初始化一个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成功；
6. 客户端发送数据请求（send）；
7. 服务器端接收请求并处理请求（recv），然后把回应数据发送（send）给客户端；
8. 客户端接收数据（recv）；
9. 最后关闭连接，一次交互结束。

socket()模块函数用法

import socket

#生成一个socket对象
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
    #socket_family 可以是socket.AF_UNIX或socket.AF_INET;
    #socket_type 可以是socket.SOCK_STREAM（TCP连接）或socket.SOCK_DGRAM（UDP连接）；
    #protocol 一般不填，默认值是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

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

写一个简单的基于TCP的C/S程序

服务器端：

#server.py

from socket import *

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)   #创建一个tcp套接字
tcpsock.bind(("127.0.0.1",9000))   #绑定地址到套接字
tcpsock.listen(5)    #监听连接

print("Waiting for connection ...")
conn,addr = tcpsock.accept() #生成一个连接对象（包含客户端地址）和客户端地址
print("Client address: ",addr)

while True:    #服务器通信循环
    data = conn.recv(1024)   #接收数据
    print(data)
    conn.send(data.upper())  #发送数据

conn.close()      #连接关闭
tcpsock.close()   #套接字进程关闭

客户端：

#client.py

from socket import *

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)   #创建一个tcp套接字
tcpsock.connect(("127.0.0.1",9000))     #根据地址连接服务器

while True:   #客户端通信循环
    msg = input(">>: ").strip()   #输入消息
    if not msg:continue           #判断输入是否为空
        #如果客户端发空，会卡住，加此判断，限制用户不能发空
    tcpsock.send(msg.encode("utf-8"))   #socket只能发送二进制数据
    data = tcpsock.recv(1024)    #接收消息
    print(data.decode("utf-8"))

注意：
以上代码存在一个问题，当客户端强制中止连接后，会使服务端抛出一个ConnectionResetError异常；而当客户端主动退出（比如break掉通信循环）时，服务器端会不停的接收空消息。将此问题改进一下。

改进版：

服务器端：

from socket import *

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)   #创建一个tcp套接字
tcpsock.bind(("127.0.0.1",9000))   #绑定地址到套接字
tcpsock.listen(5)    #监听连接


print("Waiting for connection ...")
while True:    #连接循环
    conn,addr = tcpsock.accept() #生成一个连接对象（包含客户端地址）和客户端地址
    print("Client address: ",addr)

    while True:    #服务器通信循环
        try:       #解决客户端强制中止程序抛出异常
            data = conn.recv(1024)   #接收数据
            if not data:break
                #可以解决客户端主动退出造成服务器端不停地接收空消息的问题
            print(data)
            conn.send(data.upper())  #发送数据
        except Exception:
            break
    conn.close()      #连接关闭

tcpsock.close()   #套接字进程关闭

客户端：

from socket import *

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)   #创建一个tcp套接字
tcpsock.connect(("127.0.0.1",9000))     #根据地址连接服务器

while True:   #客户端通信循环
    msg = input(">>: ").strip()   #输入消息
    if not msg:continue           #判断输入是否为空
        #如果客户端发空，会卡住，加此判断，限制用户不能发空
    if msg == 'exit':break       #退出
    tcpsock.send(msg.encode("utf-8"))   #socket只能发送二进制数据
    data = tcpsock.recv(1024)    #接收消息
    print(data.decode("utf-8"))

tcpsock.close()

可能会遇到的问题

有时在重启服务端程序时可能会遇到如下图所示的报错：

Paste_Image.png

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))

解决方法二：
Linux系统内核优化

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

基于TCP写一个远程执行命令的程序

服务器端：

# 功能：远程执行命令

from socket import *
import subprocess

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpsock.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #解决time_wait状态在占用地址
tcpsock.bind(("127.0.0.1",20000))
tcpsock.listen(5)

print("Waiting for connection ...")
while True:
    conn,c_addr = tcpsock.accept()
    print("Client address:",c_addr)
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024).decode("utf-8")
            if not data:break
            data_l = data.split()
            cmd = data_l[0]
            # file = data_l[1]
            res = subprocess.Popen(cmd,shell=True,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stderr=subprocess.PIPE)
            err = res.stderr.read()
            if not err:     #判断命令是否执行错误
                cmd_res = res.stdout.read()
                #从管道读出的结果就是二进制，可以直接发送,但是管道里的内容只能读一次
            else:
                cmd_res = err
            conn.send(cmd_res)
        except Exception:
            break
    conn.close()
tcpsock.close()

客户端：

from socket import *

tcpsock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcpsock.connect(("127.0.0.1",20000))

while True:
    inp = input(">>: ").strip()
    if not inp:continue
    if inp == "exit":break
    tcpsock.send(inp.encode('utf-8'))
    cmd_res = tcpsock.recv(1024).decode("gbk")
        #windows默认是gbk，所以接收到的数据是gbk编码的二进制，所以需要用gbk解码
    print(cmd_res)
tcpsock.close()

注：tcpsock.recv(1024)表示一次只接收1024个字节的数据。res =subprocess.Popen()的结果的编码是以当前操作系统为准的，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

以上服务端代码存在粘包问题。接下来，就来看看什么是粘包？

什么是粘包

须知：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包。

发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K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。

例如基于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。

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。
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。
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。

两种情况下会发生粘包

1、 发送端需要等缓冲区满才将数据发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据量很小，会拿到一起，产生粘包），如下示例：

服务器端：

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()

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)


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

2、 接收方不及时接收缓冲区的数据（客户端发送了一段数据，服务端只接收了一小部分，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），如下示例：

服务端：

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()

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)

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

解决粘包问题

之所以会产生粘包问题，根源在于，接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度。所以解决粘包的方法就是在发送数据前，先把将要发送的字节流总长度传给接收端，然后接收端根据这个字节流的总长度来接收完所有数据。

低级版本的解决方法

服务端：

import socket,subprocess
ip_port=('127.0.0.1',8080)
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

s.bind(ip_port)
s.listen(5)

while True:
    conn,addr=s.accept()
    print('客户端',addr)
    while True:
        msg=conn.recv(1024)
        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_length=len(ret)
        conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
        data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
        if data == 'recv_ready':
            conn.sendall(ret)
    conn.close()

客户端：

import socket,time
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'))
    length=int(s.recv(1024).decode('utf-8'))
    s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
    send_size=0
    recv_size=0
    data=b''
    while recv_size < length:
        data+=s.recv(1024)
        recv_size+=len(data)


    print(data.decode('utf-8'))

为何low：

程序的运行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，这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗。

高级版本的解决方法

为字节流加上自定义固定长度的报头，报头中包含字节流长度，然后一次性发送到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再根据报头中包含的字节流长度去取真实数据。这时就需要用到struct模块。

struct模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes，如下示例：

res = struct.pack("i",12)   #将12打包固定长度的bytes
print(res)  #固定4个字节长度,bytes类型
print(struct.unpack("i",res))   #解包

'''
输出结果：
b'\x0c\x00\x00\x00'   #固定长度，4个字节
(12,)     #元组，包含原始数据
'''    

Paste_Image.png

从上图中可以看出，“ i ”格式的struct，标准长度是4个字节。

粘包问题的高级解决方法的思路如下：

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个字节足够用了）

• 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 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)

解决代码如下：
服务端：

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()

        headers={'data_size':len(back_msg)}
        head_json=json.dumps(headers)
        head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')

        conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度
        conn.send(head_json_bytes) #再发报头
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

    conn.close()

客户端：

from socket import *
import struct,json

ip_port=('127.0.0.1',8080)
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while True:
    cmd=input('>>: ')
    if not cmd:continue
    client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))

    head=client.recv(4)
    head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
    head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
    data_len=head_json['data_size']

    recv_size=0
    recv_data=b''
    while recv_size < data_len:
        recv_data+=client.recv(1024)
        recv_size+=len(recv_data)

    print(recv_data.decode('utf-8'))
    #print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码