Python基础之socket编程

　　一、客户端/服务端架构

　　客户端/服务端，即C/S架构，包括：

　　1.硬件C/S架构(打印机)

　　2.软件C/S架构(web服务)

　　美好的愿望：

　　最常用的软件服务器是 Web 服务器。一台机器里放一些网页或 Web 应用程序,然后启动 服务。这样的服务器的任务就是接受客户的请求,把网页发给客户(如用户计算机上的浏览器),然 后等待下一个客户请求。这些服务启动后的目标就是“永远运行下去”。虽然它们不可能实现这样的 目标,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就能运行非常长的一段时间。

　　生活中的C/S架构：

　　互联网中处处是C/S架构（百度网站是服务端，你的浏览器是客户端；腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能里面的视频）

　　C/S架构与socket的关系：

　　我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

　　二、osi七层

　　引子：

　　须知一个完整的计算机系统是由硬件、操作系统、应用软件三者组成,具备了这三个条件，一台计算机系统就可以自己跟自己玩了（打个单机游戏，玩个扫雷啥的）。

　　如果你要跟别人一起玩，那你就需要上网了（访问个网站，发个微博啥的），互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，全世界人通信的标准是英语，如果把计算机比作人，互联网协议就是计算机界的英语。所有的计算机都学会了互联网协议，那所有的计算机都就可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级，详见另一篇博客

　　网络通信原理：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html

　　为何学习socket一定要先学习互联网协议：

　　1、首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，来开发一款自己的C/S架构软件

　　2、其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

　　3、然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

　　4、最后：就让我们从这些标准开始研究，开启我们的socket编程之旅

　　TCP/IP协议都包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。

 　　三、socket层

 　　在上图中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。 

　　四、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。

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

　　五、套接字发展史及分类

 　　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。

 　　六、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，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

　　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 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 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

1：用打电话的流程快速描述socket通信
2：服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信
3：客户端发送空，卡主，证明是从哪个位置卡的
服务端：
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.bind(('127.0.0.1',8081))
phone.listen(5)

conn,addr=phone.accept()
while True:
    data=conn.recv(1024)
    print('server===>')
    print(data)
    conn.send(data.upper())
conn.close()
phone.close()
客户端：
from socket import *

phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8081))

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('client====>')
    data=phone.recv(1024)
    print(data)

说明卡的原因：缓冲区为空recv就卡住，引出原理图

4.演示客户端断开链接，服务端的情况，提供解决方法

5.演示服务端不能重复接受链接，而服务器都是正常运行不断来接受客户链接的

6:简单演示udp
服务端
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
phone.bind(('127.0.0.1',8082))
while True:
    msg,addr=phone.recvfrom(1024)
    phone.sendto(msg.upper(),addr)
客户端
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
while True:
    msg=input('>>: ')
    phone.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8082))
    msg,addr=phone.recvfrom(1024)
    print(msg)

udp客户端可以并发演示
udp客户端可以输入为空演示，说出recvfrom与recv的区别，暂且不提tcp流和udp报的概念，留到粘包去说

读者勿看：socket实验推演流程

　　七、基于TCP的套接字　　

　　TCP服务端：

import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #重用ip和端口，在bind前加
phone.bind(("127.0.0.1",8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机，同时支持5个访问等待
print("starting......")
while True: #链接循环
    conn,addr = phone.accept() #等待电话链接
    print("电话线路是：",conn)
    print("客户端的手机号：",addr)
    while True: #通信循环
        try: #应对Windows系统
            data = conn.recv(1024) #收消息，每次从缓存拿内容的大小
            print("客户端发来的消息是：",data.decode("utf8"))
            conn.send(data) #向客户端发消息
        except Exception as e:
            print(e)
            break
    conn.close() #挂断电话
phone.close() #关机

　　TCP客户端：

import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.connect(("127.0.0.1",8080)) #呼叫服务端
while True: #通信循环
    msg = input(">>>: ").strip()
    if not msg:continue #输入空，重新输入
    if msg == "quit":break #输入quit时，退出
    phone.send(msg.encode("utf8")) #向服务端发消息
    data = phone.recv(1024) #接收消息
    print(data.decode("utf8"))
phone.close() #挂断电话

　　问题：

　　有的同学在重启服务端时可能会遇到如图:

　　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：

#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))

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

　　八、基于UDP的套接字