• python之套接字编程


    一、socket

    1、socket是什么?

      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。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/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。

    img

      应用层打交道的其实是TCP或者UDP协议,因为socket可以当做不存在,因为它只是一个封装的过程,站在协议的角度不属于运输层,所以通常都是基于网络通信的协议都是这两个。

    2、套接字发展历史

      套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种(或者称为有两个种族),分别是基于文件型的和基于网络型的。

    *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

    *基于网络类型的套接字家族*

    套接字家族的名字:AF_INET

    (还有AF_INET6被用于ipv6,还有一些其他的地址家族,不过,他们要么是只用于某个平台,要么就是已经被废弃,或者是很少被使用,或者是根本没有实现,所有地址家族中,AF_INET是使用最广泛的一个,python支持很多种地址家族,但是由于我们只关心网络编程,所以大部分时候我么只使用AF_INET)

    二、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。

    img

      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

    socket()模块函数用法

    import socket
    socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
    """
    socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。
    socket_type 可以是 SOCK_STREAM  流式协议-->tcp协议
    			     SOCK_DGRAM.protocol   报式协议-->udp协议
    			     一般不填,默认值为 0,也就是流式协议-->tcp协议
    """
    
    # 获取tcp/ip套接字(流式协议)
    tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
    #获取udp/ip套接字(报式协议)
    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。
    """
    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

    三、基于TCP的套接字

    *tcp是基于链接的,必须先启动服务端,然后再启动客户端去链接服务端*

    *tcp服务端*

    1 ss = socket() #创建服务器套接字
    2 ss.bind()      #把地址绑定到套接字
    3 ss.listen()      #监听链接
    4 inf_loop:      #服务器无限循环
    5     cs = ss.accept() #接受客户端链接
    6     comm_loop:         #通讯循环
    7         cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)
    8     cs.close()    #关闭客户端套接字
    9 ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)
    

    *tcp客户端*

    1 cs = socket()    # 创建客户套接字
    2 cs.connect()    # 尝试连接服务器
    3 comm_loop:        # 通讯循环
    4     cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)
    5 cs.close()            # 关闭客户套接字
    

    socket通信流程与打电话流程类似,我们就以打电话为例来实现一个low版的套接字通信:

    流程:先运行服务端,发现服务端阻塞在原地,发现是由accept造成的,因为要去半连接池拿东西,但是没有,只能等着,当客户端启动连接送到半连接池立马和服务端建成连接,建成后服务端会打印ip和端口,客户端没有发数据的时候服务端虽然越过了accept,但是没有recv到数据,等到客户端发送数据后,立马收到打印出收到的内容,然后服务端将收到的内容进行大写操作,然后发回给客户端,然后客户端打印出经过服务端处理后的数据,最后客户端关闭回收操作系统资源

    注意:accept、recv、send都会造成阻塞

    服务端:

    import socket
    
    # 买手机
    phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    
    # 绑定手机卡
    phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535,1024以前的都被系统保留使用
    
    # 开机
    phone.listen(backlog=5) # 5指的是半连接池的大小
    print('服务端启动完成')
    
    # 等待电话连接请求
    conn,client_addr = phone.accept() # 执行一次接收一个连接请求
    print(conn)
    print('客户端的Ip和端口:',client_addr)
    
    # 收消息
    data = conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes,收到的是bytes类型,无穷增大没有意义,而且再大不能大过内存的大小,要像水流一样一点一点接收
    print('客户端的Ip和端口:',client_addr)
    conn.send(data.upper())
    
    """
    关闭电话连接coon
    因为accept建立的连接请求占的是python应用程序的内存空间所占
    但这个连接请求是操作系统帮我们维护者tcp的双向连接,所以要考虑回收操作系统资源
    """
    conn.close()
    
    # 关机(可选操作)
    phone.close()
    

    客户端:

    import socket
    
    #1、买手机
    phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议
    
    #2、拨通服务端电话
    phone.connect(('127.0.0.1',8080))
    
    #3、通信
    import time
    time.sleep(10)
    phone.send('hello 噗噗'.encode('utf-8'))
    data=phone.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))
    
    #4、关闭连接(必选的回收资源的操作)
    phone.close()
    

    加上通信循环

    存在Bug:

      1、send空是没问题的,但是recv空就会造成阻塞

      无论发和和收都不是在给对方操作,都是发送系统调用从自己的缓存中调用自己的操作,其实都是在自己的缓存当中,由自己的操作系统统一管理,但是最终会到对方,其中送的话是调用从缓存里找,如果没有什么都不干,但是收的话从缓存里找,如果没有会一直等知道缓存当中有数据才会收

      2、如果把客户端强行终止掉,服务端也会崩掉,而且服务端在不同的系统之下发生的情况也不一样,有两种:

        windows会直接报错:远程主机强迫关闭了一个现有的链接

        unix:会进入死循环

      因为链接是双向链接,在客户端执行input操作的时候,是有一个链接维持在服务端和客户端之间的,客户端等着输,服务端在正常情况下等着收,但是现在情况下客户端强行终止,而服务端还以为正常情况在连接,所以就会出错。

    服务端改进版:

    import socket
    
    # 1、买手机
    phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议
    
    # 2、绑定手机卡
    phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535, 1024以前的都被系统保留使用
    
    # 3、开机
    phone.listen(5)
    print('服务端启动完成,监听地址为:%s:%s' %('127.0.0.1',8080))
    
    # 4、等待电话连接请求:拿到电话连接conn
    conn,client_addr=phone.accept()
    
    # 5、通信:收发消息
    while True:
        try:
            data=conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes,收到的是bytes类型
            if len(data) == 0:
                # 在unix系统洗,一旦data收到的是空
                # 意味着是一种异常的行为:客户度非法断开了链接
                break
            print("客户端发来的消息:",data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            # 针对windows系统
            break
    
    # 6、关闭电话连接conn(必选的回收资源的操作)
    conn.close()
    
    # 7、关机(可选操作)
    phone.close()
    
    

    客户端改进版

    import socket
    
    #1、买手机
    phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议
    
    #2、拨通服务端电话
    phone.connect(('127.0.0.1',8080))
    
    #3、通信
    while True:
        msg=input("输入要发送的消息>>>: ").strip() #msg=''
        if len(msg) == 0:continue
        phone.send(msg.encode('utf-8'))
        print('======')
        data=phone.recv(1024)
        print(data.decode('utf-8'))
    
    #4、关闭连接(必选的回收资源的操作)
    phone.close()
    

    加上链接循环(解决现有问题)

    服务端应该满足的特点:

      1、一直提供服务

      2、并发地提供服务

    服务端改进版:

    import socket
    
    # 1、买手机
    phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议
    
    # 2、绑定手机卡
    phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535, 1024以前的都被系统保留使用
    
    # 3、开机
    phone.listen(5) # 5指的是半连接池的大小
    print('服务端启动完成,监听地址为:%s:%s' %('127.0.0.1',8080))
    
    # 4、等待电话连接请求:拿到电话连接conn
    # 加上链接循环
    while True:
        conn,client_addr=phone.accept()
    
        # 5、通信:收发消息
        while True:
            try:
                data=conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes,收到的是bytes类型
                if len(data) == 0:
                    # 在unix系统洗,一旦data收到的是空
                    # 意味着是一种异常的行为:客户度非法断开了链接
                    break
                print("客户端发来的消息:",data.decode('utf-8'))
                conn.send(data.upper())
            except Exception:
                # 针对windows系统
                break
    
        # 6、关闭电话连接conn(必选的回收资源的操作)
        conn.close()
    
    # 7、关机(可选操作)这样就没有用了
    phone.close()
    

    问题:

    有的同学在重启服务端时可能会遇到

    img

    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:

    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))
    

    方法二

    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
    

    方法三:

      换端口号,记得客户端和服务端都需要改!

    三、基于UDP的套接字

    • udp客户端

      import socket
      
      client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # 流式协议=》tcp协议
      
      while True:
          msg=input('>>>: ').strip()
          client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080))
          res=client.recvfrom(1024)
          print(res)
      
      client.close()
      
    • udp服务端

      import socket
      
      server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # 数据报协议=》udp协议
      
      server.bind(('127.0.0.1',8080))
      
      while True:
          data,client_addr=server.recvfrom(1024)
          server.sendto(data.upper(),client_addr)
      
      server.close()
      
  • 相关阅读:
    【车】平安车险费用
    【光环国际】掌握项目经理12个工作流程
    【光环国际】500强公司7个项目管理工具
    数据仓库和商业智能演进五个阶段
    【技术与商业案例解读笔记】095:Google大数据三驾马车笔记
    15道最常考的SpringBoot面试题,你都遇到过哪些?
    用户画像4:标签数据开发
    plsql 传参
    shell专题(二):Shell解析器
    shell专题(三):Shell脚本入门
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/Lance-WJ/p/12741880.html
Copyright © 2020-2023  润新知