day28 粘包, 合法性连接

  1. tcp粘包现象以及解决方案:

　　粘包现象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，数据也很小，会合到一起，产生粘包）

# 服务端
import socket

server = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)

server.bind(ip_port)
server.listen()

conn,addr = server.accept()

from_client_msg1 = conn.recv(1024).decode('utf-8')
from_client_msg2 = conn.recv(1024).decode('utf-8')

print('from_client_msg1>>>',from_client_msg1)
print('from_client_msg2>>>',from_client_msg2)

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
client.connect(ip_port)

client.send(b'12')
client.send(b'22')

　　粘包现象2: 接收方没有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） 

# 服务端
import socket
import subprocess
server = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
server.bind(ip_port)
server.listen()
conn,addr = server.accept()
while 1:
    from_client_cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')

    sub_obj = subprocess.Popen(
        from_client_cmd,
        shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE,
    )
    #subprocess对象.read 得到的结果是bytes类型的
    cmd_res = sub_obj.stdout.read()
    print('结果长度>>>',len(cmd_res))
    conn.send(cmd_res)

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
client.connect(ip_port)

while 1:
    client_cmd = input('请输入系统指令>>>')
    client.send(client_cmd.encode('utf-8'))

    from_server_result = client.recv(1024)

    print(from_server_result.decode('gbk'))

　　

　　TCP会粘包、UDP永远不会粘包的原因

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

　　补充问题:

补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输

    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，一般的小数据就用send，因为小数据也用sendall的话有些影响代码性能，简单来讲就是还多while循环这个代码呢。
　　
用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) – UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误。（丢弃这个包，不进行发送） 

用TCP协议发送时，由于TCP是数据流协议，因此不存在包大小的限制（暂不考虑缓冲区的大小），这是指在用send函数时，数据长度参数不受限制。而实际上，所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去，如果这段数据比较长，会被分段发送，如果比较短，可能会等待和下一次数据一起发送。

　　粘包的原因：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

　　解决方案1:

　　

# 服务端
import socket
import subprocess
server = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
server.bind(ip_port)
server.listen()
conn,addr = server.accept()
while 1:
    from_client_cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')

    sub_obj = subprocess.Popen(
        from_client_cmd,
        shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE,
    )
    #subprocess对象.read 得到的结果是bytes类型的
    cmd_res = sub_obj.stdout.read()
    data_len = len(cmd_res)
    data_len_str = str(data_len)
    print('结果长度>>>',data_len)

    conn.send(data_len_str.encode('utf-8'))
    client_stutas = conn.recv(1024).decode('utf-8')
    if client_stutas == 'ok':

        conn.send(cmd_res)
    else:
        print('客户端长度信息没有收到')

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
client.connect(ip_port)

while 1:
    client_cmd = input('请输入系统指令>>>')
    client.send(client_cmd.encode('utf-8'))
    from_server_datalen = client.recv(1024).decode('utf-8')

    client.send(b'ok')

    from_server_result = client.recv(int(from_server_datalen))

    print(from_server_result.decode('gbk'))

　　解决方案2: struct模块

# 服务端
import socket
import subprocess
import struct
server = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
data_full_len = 0 #统计发送数据的长度
server.bind(ip_port)
server.listen()
conn,addr = server.accept()
while 1:
    from_client_cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')

    sub_obj = subprocess.Popen(
        from_client_cmd,
        shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE,
    )
    #subprocess对象.read 得到的结果是bytes类型的
    cmd_res = sub_obj.stdout.read()
    data_len = len(cmd_res)  #总数据长度
    data_len_str = str(data_len)
    print('结果长度>>>',data_len)

    #将真实数据长度打包成4个字节的数据
    struct_data_len = struct.pack('i',data_len)

    conn.send(struct_data_len + cmd_res)


# 客户端
import socket
import struct
client = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
client.connect(ip_port)
all_recv_len = 0
all_data_byte = b''

while 1:
    client_cmd = input('请输入系统指令>>>')
    client.send(client_cmd.encode('utf-8'))
    #先接收4个字节,这4个字节是真实数据长度加工成的
    recv_data_len = client.recv(4)
    #将4个字节长度的数据,解包成后面真实数据的长度
    real_data_len = struct.unpack('i',recv_data_len)[0]

    server_result = client.recv(real_data_len)

    print(server_result.decode('gbk'))

　

　　# 大数据解决粘包方案(循环接收数据)

# 服务端
import socket
import subprocess
server = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
data_full_len = 0 #统计发送数据的长度
server.bind(ip_port)
server.listen()
conn,addr = server.accept()
while 1:
    from_client_cmd = conn.recv(1024).decode('utf-8')

    sub_obj = subprocess.Popen(
        from_client_cmd,
        shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE,
    )
    #subprocess对象.read 得到的结果是bytes类型的
    cmd_res = sub_obj.stdout.read()
    data_len = len(cmd_res)  #总数据长度
    data_len_str = str(data_len)
    print('结果长度>>>',data_len)

    conn.send(data_len_str.encode('utf-8'))
    client_stutas = conn.recv(1024).decode('utf-8')

    if client_stutas == 'ok':
        #发送真实数据
        while data_full_len < data_len:
            every_send_data = cmd_res[data_full_len:data_full_len + 1024]
            every_send_datalen = len(every_send_data)
            conn.send(every_send_data)
            data_full_len += 1024

    else:
        print('客户端长度信息没有收到')

# 客户端
import socket

client = socket.socket()
ip_port = ('127.0.0.1',8001)
client.connect(ip_port)
all_recv_len = 0
all_data_byte = b''

while 1:
    client_cmd = input('请输入系统指令>>>')
    client.send(client_cmd.encode('utf-8'))
    from_server_datalen = client.recv(1024).decode('utf-8')
    all_data_len = int(from_server_datalen)  #服务端发送的总数据长度

    client.send(b'ok')

    while all_recv_len < all_data_len:

        from_server_result = client.recv(1024)
        every_recv_len = len(from_server_result) #每次接受的数据长度
        all_recv_len += every_recv_len
        all_data_byte += from_server_result

    print(all_data_byte.decode('gbk'))

 2. 验证客户端的链接合法性

# 服务端
from socket import *
import hmac,os

secret_key=b'Jedan has a big key!'
def conn_auth(conn):
    '''
    认证客户端链接
    :param conn:
    :return:
    '''
    print('开始验证新链接的合法性')
    msg=os.urandom(32)#生成一个32字节的随机字符串
    conn.sendall(msg)
    h=hmac.new(secret_key,msg) 
    digest=h.digest()
    respone=conn.recv(len(digest))
    return hmac.compare_digest(respone,digest)

def data_handler(conn,bufsize=1024):
    if not conn_auth(conn):
        print('该链接不合法,关闭')
        conn.close()
        return
    print('链接合法,开始通信')
    while True:
        data=conn.recv(bufsize)
        if not data:break
        conn.sendall(data.upper())

def server_handler(ip_port,bufsize,backlog=5):
    '''
    只处理链接
    :param ip_port:
    :return:
    '''
    tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcp_socket_server.bind(ip_port)
    tcp_socket_server.listen(backlog)
    while True:
        conn,addr=tcp_socket_server.accept()
        print('新连接[%s:%s]' %(addr[0],addr[1]))
        data_handler(conn,bufsize)

if __name__ == '__main__':
    ip_port=('127.0.0.1',9999)
    bufsize=1024
    server_handler(ip_port,bufsize)

# 客户端
from socket import *
import hmac,os

secret_key=b'Jedan has a big key！'
def conn_auth(conn):
    '''
    验证客户端到服务器的链接
    :param conn:
    :return:
    '''
    msg=conn.recv(32)
    h=hmac.new(secret_key,msg)
    digest=h.digest()
    conn.sendall(digest)

def client_handler(ip_port,bufsize=1024):
    tcp_socket_client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcp_socket_client.connect(ip_port)

    conn_auth(tcp_socket_client)

    while True:
        data=input('>>: ').strip()
        if not data:continue
        if data == 'quit':break

        tcp_socket_client.sendall(data.encode('utf-8'))
        respone=tcp_socket_client.recv(bufsize)
        print(respone.decode('utf-8'))
    tcp_socket_client.close()

if __name__ == '__main__':
    ip_port=('127.0.0.1',9999)
    bufsize=1024
    client_handler(ip_port,bufsize)

　　(1) os.urandom(n) 

　　　os.urandom(n) 是一种bytes类型的随机生成n个字节字符串的方法，而且每次生成的值都不相同。再加上md5等加密的处理，就能够成内容不同长度相同的字符串了。

import os
from hashlib import md5

for i in range(10):
    print(md5(os.urandom(25)).hexdigest())

　　(2) hmac： 也可以用hashlib来实现

　　　Python自带的hmac模块实现了标准的Hmac算法，我们首先需要准备待计算的原始消息message，随机key，哈希算法，这里采用MD5，使用hmac的代码如下：

import hmac
message = b'hello world'
key = b'serect'
h = hmac.new(key, message, digestmod='MD5')
print(h.hexdigest())

　　可见使用hmac和普通hash算法非常类似。hmac输出的长度和原始哈希算法的长度一致。需要注意传入的key和message都是bytes类型，str类型需要首先编码为bytes。

import random
import hmac

def hmac_md5(key, s):
    return hmac.new(key.encode('utf-8'), s.encode('utf-8'), digestmod='MD5').hexdigest()

class User:
    def __init__(self, username, password):
        self.username = username
        self.key = ''.join([chr(random.randint(48, 122)) for i in range(20)])
        self.password = hmac_md5(self.key, password)