• 4月20日 python学习总结 套接字工作流程


    一、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。

     

          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

    1、套接字函数

     

    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

    2、套接字简单应用 

    #_*_coding:utf-8_*_
    __author__ = 'Linhaifeng'
    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(conn)
        # print(addr)
        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
    
    服务端改进版
    #_*_coding:utf-8_*_
    __author__ = 'Linhaifeng'
    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
    
    客户端改进版

    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:

    1.

    #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))

        2.

    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

    二、什么是粘包    

      须知:只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包,为何,且听我娓娓道来

    首先需要掌握一个socket收发消息的原理:

    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,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。

    两种情况下会发生粘包。

      1、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)

    #服务器
    #_*_coding:utf-8_*_
    __author__ = 'Linhaifeng'
    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
    #_*_coding:utf-8_*_
    __author__ = 'Linhaifeng'
    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'))

     

    #服务器端
    #
    _*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' 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()

        

        

    #_*_coding:utf-8_*_
    __author__ = 'Linhaifeng'
    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'))
    客户端

        

    拆包的发生情况

    当发送端缓冲区的长度大于网卡的MTU时,tcp会将这次发送的数据拆成几个数据包发送出去。

    补充问题一:为何tcp是可靠传输,udp是不可靠传输

    基于tcp的数据传输请参考我的另一篇文章http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html,tcp在数据传输时,发送端先把数据发送到自己的缓存中,然后协议控制将缓存中的数据发往对端,对端返回一个ack=1,发送端则清理缓存中的数据,对端返回ack=0,则重新发送数据,所以tcp是可靠的

    而udp发送数据,对端是不会返回确认信息的,因此不可靠

    补充问题二:send(字节流)和recv(1024)及sendall

    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

     

    三、峰哥解决粘包的方法    

    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

    >>> struct.pack('i',1111111111111)

    。。。。。。。。。

    struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 #这个是范围

     

     

    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)

        

    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

     1 import socket,struct,json
     2 import subprocess
     3 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
     4 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它,在bind前加
     5 
     6 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
     7 
     8 phone.listen(5)
     9 
    10 while True:
    11     conn,addr=phone.accept()
    12     while True:
    13         cmd=conn.recv(1024)
    14         if not cmd:break
    15         print('cmd: %s' %cmd)
    16 
    17         res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
    18                              shell=True,
    19                              stdout=subprocess.PIPE,
    20                              stderr=subprocess.PIPE)
    21         err=res.stderr.read()
    22         print(err)
    23         if err:
    24             back_msg=err
    25         else:
    26             back_msg=res.stdout.read()
    27 
    28         headers={'data_size':len(back_msg)}
    29         head_json=json.dumps(headers)
    30         head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')
    31 
    32         conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度
    33         conn.send(head_json_bytes) #再发报头
    34         conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容
    35 
    36     conn.close()
    37 
    38  服务端:定制稍微复杂一点的报头
    服务端:定制稍微复杂一点的报头
     1 from socket import *
     2 import struct,json
     3 
     4 ip_port=('127.0.0.1',8080)
     5 client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     6 client.connect(ip_port)
     7 
     8 while True:
     9     cmd=input('>>: ')
    10     if not cmd:continue
    11     client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))
    12 
    13     head=client.recv(4)
    14     head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
    15     head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
    16     data_len=head_json['data_size']
    17 
    18     recv_size=0
    19     recv_data=b''
    20     while recv_size < data_len:
    21         recv_data+=client.recv(1024)
    22         recv_size+=len(recv_data)
    23 
    24     print(recv_data.decode('utf-8'))
    25     #print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码
    客户端

     

     

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