阅读目录
- 一 客户端/服务器架构
- 二 osi七层
- 三 socket层
- 四 socket是什么
- 五 套接字发展史及分类
- 六 套接字工作流程
- 七 基于TCP的套接字
- 八 基于UDP的套接字
- 九 recv与recvfrom的区别
- 十 粘包现象
- 十一 什么是粘包
- 十二 低级的解决粘包处理方法
- 十三 高级的解决粘包处理方法
- 十四 认证客户端的链接合法性
- 十五 socketserver实现并发
一. 客户端/服务器架构
1. 两种情况
- C/S架构 客户端/服务器端(打印机)
- B/S架构 浏览器/服务器端(web服务)
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
1. C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的。
2. 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。
图1
TCP/IP协议族包括传输层、网络层、链路层，自己开发的应用程序工作在应用层。
三. socket层
在图1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。
图2
四. socket的定义
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。
补充: 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，看下图。
图3
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
以打电话为流程的示例演示：
import socket phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机 phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #插电话卡 phone.listen(5) #开机，backlog print('starting....') conn,addr=phone.accept() #接电话 print(conn) print('client addr',addr) print('ready to read msg') client_msg=conn.recv(1024) #收消息 print('client msg: %s' %client_msg) conn.send(client_msg.upper()) #发消息 conn.close() phone.close()
import socket phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #拨通电话 phone.send('hello'.encode('utf-8')) #发消息 back_msg=phone.recv(1024) print(back_msg) phone.close()
输出:
服务端
starting.... <socket.socket fd=4, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080), raddr=('127.0.0.1', 65172)> client addr ('127.0.0.1', 65172) ready to read msg client msg: b'hello'
客户端
b'HELLO'
七. 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
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
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) #电话卡 BUFSIZE=1024 #收发消息的尺寸 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 conn,addr=s.accept() #手机接电话 # print(conn) # print(addr) print('接到来自%s的电话' %addr[0]) msg=conn.recv(BUFSIZE) #听消息,听话 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
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) BUFSIZE=1024 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.connect_ex(ip_port) #拨电话 s.send('linhaifeng nb'.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
上述流程的问题是，服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，下面是修改版
#_*_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：
在重启服务端时可能会遇到以下报错现象
注: 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
udp服务端
ss = socket() #创建一个服务器的套接字 ss.bind() #绑定服务器套接字 inf_loop: #服务器无限循环 cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送) ss.close() # 关闭服务器套接字
udp客户端
cs = socket() # 创建客户套接字 comm_loop: # 通讯循环 cs.sendto()/cs.recvfrom() # 对话(发送/接收) cs.close() # 关闭客户端套接字
udp套接字简单示例
服务端
import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) BUFSIZE=1024 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) udp_server_client.bind(ip_port) while True: msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE) print(msg,addr) udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)
客户端
import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) BUFSIZE=1024 udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE) print(back_msg.decode('utf-8'),addr)
输出
# 客户端 >>: 123 123 ('127.0.0.1', 9000) >>: 3 3 ('127.0.0.1', 9000) >>: 4 4 ('127.0.0.1', 9000) # 服务端 b'123' ('127.0.0.1', 53066) b'3' ('127.0.0.1', 53066) b'4' ('127.0.0.1', 53066)
模拟QQ聊天(由于udp无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信)
import socket ip_port=('127.0.0.1',8081) udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机 udp_server_sock.bind(ip_port) while True: qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024) print('来自[%s:%s]的一条消息: 33[1;44m%s 33[0m' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8'))) back_msg=input('回复消息: ').strip() udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)
import socket BUFSIZE=1024 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) qq_name_dic={ 'TOM':('127.0.0.1',8081), 'JACK':('127.0.0.1',8081), '一棵树':('127.0.0.1',8081), '武大郎':('127.0.0.1',8081), } while True: qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip() while True: msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip() if msg == 'quit':break if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name]) back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE) print('来自[%s:%s]的一条消息: 33[1;44m%s 33[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8'))) udp_client_socket.close()
import socket BUFSIZE=1024 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) qq_name_dic={ 'TOM':('127.0.0.1',8081), 'JACK':('127.0.0.1',8081), '一棵树':('127.0.0.1',8081), '武大郎':('127.0.0.1',8081), } while True: qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip() while True: msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip() if msg == 'quit':break if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name]) back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE) print('来自[%s:%s]的一条消息: 33[1;44m%s 33[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8'))) udp_client_socket.close()
输出:
# 服务端 来自[127.0.0.1:57038]的一条消息:喝酒去? 回复消息: 什么酒？女儿红有嘛？ 来自[127.0.0.1:57039]的一条消息:唱歌去? 回复消息: 走，唱山歌！ # 客户端1 请选择聊天对象: TOM 请输入消息,回车发送: 唱歌去? 来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:走，唱山歌！ 请输入消息,回车发送: #客户端2 请选择聊天对象: JACK 请输入消息,回车发送: 喝酒去? 来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:什么酒？女儿红有嘛？ 请输入消息,回车发送:
九. recv与recvfrom的区别
注: 发消息，都是将数据发送到己端的发送缓冲中，收消息都是从己端的缓冲区中收。
- tcp：send发消息，recv收消息
- udp：sendto发消息，recvfrom收消息
9.1 send与sendinto
tcp是基于数据流的，而udp是基于数据报的：
- send(bytes_data):发送数据流，数据流bytes_data若为空，自己这段的缓冲区也为空，操作系统不会控制tcp协议发空包
- sendinto(bytes_data,ip_port)：发送数据报，bytes_data为空，还有ip_port,所有即便是发送空的bytes_data,数据报其实也不是空的，自己这端的缓冲区收到内容，操作系统就会控制udp协议发包。
9.2 recv与recvfrom
tcp协议
（1）如果收消息缓冲区里的数据为空，那么recv就会阻塞（阻塞很简单，就是一直在等着收）
（2）只不过tcp协议的客户端send一个空数据就是真的空数据，客户端即使有无穷个send空，也跟没有一个样。
（3）tcp基于链接通信
- 基于链接，则需要listen（backlog），指定半连接池的大小
- 基于链接，必须先运行的服务端，然后客户端发起链接请求
- 对于mac系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端在收消息后加上if判断，空消息就break掉通信循环)
- 对于windows/linux系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端通信循环内加异常处理，捕捉到异常后就break掉通讯循环)
客户端发送为空，测试结果--->验证:（1）
客户端直接终止程序，测试结果--->验证:（2）
import subprocess from socket import * phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) phone.bind(('127.0.0.1',8080)) phone.listen(5) conn,addr=phone.accept() while True: data=conn.recv(1024) print('from client msg is ',data) conn.send(data.upper())
import subprocess from socket import * phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: msg=input('>>: ') phone.send(msg.encode('utf-8')) print('Client message has been sent') data=phone.recv(1024) print('from server msg is ',data.decode('utf-8')) phone.close()
udp协议
（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom也会阻塞
（2）只不过udp协议的客户端sendinto一个空数据并不是真的空数据（包含：空数据+地址信息，得到的报仍然不会为空），所以客户端只要有一个sendinto（不管是否发送空数据，都不是真的空数据），服务端就可以recvfrom到数据。
（3）udp无链接
- 无链接，因而无需listen（backlog），更加没有什么连接池之说了
- 无链接，udp的sendinto不用管是否有一个正在运行的服务端，可以己端一个劲的发消息，只不过数据丢失
- recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，在mac和linux系统上数据直接丢失，在windows系统上发送的比接收的大直接报错
- 只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失
客户端发送空，看服务端结果--->验证（1）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_server.bind(ip_port) while True: data1,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) print(data1)
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) while True: msg=input('>>: ') udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) #发送空,发现服务端可以接收空
分别运行服务端，客户端--->验证（2）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_server.bind(ip_port) data1,addr=udp_server.recvfrom(1) print('第一次收了 ',data1) data2,addr=udp_server.recvfrom(1) print('第二次收了 ',data2) data3,addr=udp_server.recvfrom(1) print('第三次收了 ',data3) print('--------结束----------')
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_client.sendto(b'hello',ip_port) udp_client.sendto(b'world',ip_port) udp_client.sendto(b'egon',ip_port)
不运行服务端，单独运行客户端，一点问题没有，但是消息丢了--->验证（3）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_server.bind(ip_port) data1,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) print('第一次收了 ',data1) data2,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) print('第二次收了 ',data2) data3,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) print('第三次收了 ',data3) print('--------结束----------')
from socket import * import time ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_client.sendto(b'hello',ip_port) udp_client.sendto(b'world',ip_port) udp_client.sendto(b'egon',ip_port) print('客户端发完消息啦') time.sleep(100)
注:
1.你单独运行上面的udp的客户端，你发现并不会报错，相反tcp却会报错，因为udp协议只负责把包发出去，对方收不收，我根本不管，而tcp是基于链接的，必须有一个服务端先运行着，客户端去跟服务端建立链接然后依托于链接才能传递消息，任何一方试图把链接摧毁都会导致对方程序的崩溃。
2.上面的udp程序，你注释任何一条客户端的sendinto，服务端都会卡住，为什么？因为服务端有几个recvfrom就要对应几个sendinto，哪怕是sendinto(b'')那也要有。
十. 粘包现象
基于tcp先制作一个远程执行命令的程序（1：执行错误命令 2：执行ls 3：执行ifconfig）
from socket import * import subprocess ip_port=('127.0.0.1',8080) BUFSIZE=1024 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) tcp_socket_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) tcp_socket_server.bind(ip_port) tcp_socket_server.listen(5) while True: conn,addr=tcp_socket_server.accept() print('客户端',addr) while True: cmd=conn.recv(BUFSIZE) if len(cmd) == 0:break res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stderr=res.stderr.read() stdout=res.stdout.read() conn.send(stderr) conn.send(stdout)
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) while True: msg=input('>>: ').strip() if len(msg) == 0:continue if msg == 'quit':break s.send(msg.encode('utf-8')) act_res=s.recv(BUFSIZE) print(act_res.decode('utf-8'),end='')
输出
# 客户端 >>: ls 1.py 客户端.py 客户端1.py 客户端2.py 服务端.py >>: ifconfig en0 en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500 ether 78:4f:43:5b:a5:4c inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255 nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD> media: autoselect status: active >>: ifconfig lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384 options=1203<RXCSUM,TXCSUM,TXSTATUS,SW_TIMESTAMP> inet 127.0.0.1 netmask 0xff000000 inet6 ::1 prefixlen 128 inet6 fe80::1%lo0 prefixlen 64 scopeid 0x1 nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD> gif0: flags=8010<POINTOPOINT,MULTICAST> mtu 1280 stf0: flags=0<> mtu 1280 en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500 ether 78:4f:43:5b:a5:4c inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255 nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD> media: autoselect status: active en1: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500 options=60<TSO4,TSO6> ether e2:00:ec:98:eb:00 media: autoselect <full-duplex> status: inactive en3: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500 options=60<TSO4,TSO6> ether e2:00:ec:98:eb:01 media: autoselect <full-duplex> status: inactive en2: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500>>: >>: # 服务端 客户端 ('127.0.0.1', 58194)
上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包现象
基于upd制作一个远程执行命令的程序
from socket import * import subprocess ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) udp_server.bind(ip_port) while True: #收消息 cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) print('用户命令----->',cmd) #逻辑处理 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE) stderr=res.stderr.read() stdout=res.stdout.read() #发消息 udp_server.sendto(stderr,addr) udp_server.sendto(stdout,addr) udp_server.close()
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9003) bufsize=1024 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) while True: msg=input('>>: ').strip() udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) data,addr=udp_client.recvfrom(bufsize) print(data.decode('utf-8'),end='')
上述程序是基于udp的socket，在运行时永远不会发生粘包现象
注:
res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
shell=True,
stderr=subprocess.PIPE,
stdout=subprocess.PIPE)
stderr和stdout结果的编码是以当前所在的系统为准的，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。
十一. 粘包
1. 什么是粘包
粘包: 发送方发送两个字符串”hello”+”world”，接收方却一次性接收到了”helloworld”。
注: 只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包
补充：
拆包：发送方发送字符串”helloworld”，接收方却接收到了两个字符串”hello”和”world”。
socket收发消息的原理,如下图所示:
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，在接收方看来，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束。
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。
- 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。
- 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。
- 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。
udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对一个一个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，数据量很小，会合到一起，产生粘包）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8085) 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() 服务端
import socket BUFSIZE=1024 ip_port=('127.0.0.1',8085) 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'))
输出
# 服务端 -----> hellofeng #出现粘包现象 ----->
2. 接收方不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）
from socket import * ip_port=('127.0.0.1',8089) 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()
客户端输出
# 服务端 -----> he -----> llo feng
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:
1. 为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输
基于tcp的数据传输参考: 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。
2. 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
十二. 低级的解决粘包处理方法
问题的根源在于，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围绕，如何让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据。
低级方式的处理方法:
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()
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'))
原因:
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。
十三. 高级的解决粘包处理方法
思路: 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)
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)
#_*_coding:utf-8_*_ #http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html import struct import binascii import ctypes values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7) values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101) s1 = struct.Struct('I3sf') s2 = struct.Struct('4sI') print(s1.size,s2.size) prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size) print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer)) # t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8')) # print(t) s1.pack_into(prebuffer,0,*values1) s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2) print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer)) print(s1.unpack_from(prebuffer,0)) print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size)) s3=struct.Struct('ii') s3.pack_into(prebuffer,0,123,123) print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer)) print(s3.unpack_from(prebuffer,0))
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() conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度 conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容 conn.close()
import socket,time,struct 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')) l=s.recv(4) x=struct.unpack('i',l)[0] print(type(x),x) # print(struct.unpack('I',l)) r_s=0 data=b'' while r_s < x: r_d=s.recv(1024) data+=r_d r_s+=len(r_d) # print(data.decode('utf-8')) print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码
原理分析: 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
示例1:
服务端
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
示例2:
模拟FTP上传下载文件
import socket import struct import json import subprocess import os class MYTCPServer: address_family = socket.AF_INET socket_type = socket.SOCK_STREAM allow_reuse_address = False max_packet_size = 8192 coding='utf-8' request_queue_size = 5 server_dir='file_upload' def __init__(self, server_address, bind_and_activate=True): """Constructor. May be extended, do not override.""" self.server_address=server_address self.socket = socket.socket(self.address_family, self.socket_type) if bind_and_activate: try: self.server_bind() self.server_activate() except: self.server_close() raise def server_bind(self): """Called by constructor to bind the socket. """ if self.allow_reuse_address: self.socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) self.socket.bind(self.server_address) self.server_address = self.socket.getsockname() def server_activate(self): """Called by constructor to activate the server. """ self.socket.listen(self.request_queue_size) def server_close(self): """Called to clean-up the server. """ self.socket.close() def get_request(self): """Get the request and client address from the socket. """ return self.socket.accept() def close_request(self, request): """Called to clean up an individual request.""" request.close() def run(self): while True: self.conn,self.client_addr=self.get_request() print('from client ',self.client_addr) while True: try: head_struct = self.conn.recv(4) if not head_struct:break head_len = struct.unpack('i', head_struct)[0] head_json = self.conn.recv(head_len).decode(self.coding) head_dic = json.loads(head_json) print(head_dic) #head_dic={'cmd':'put','filename':'a.txt','filesize':123123} cmd=head_dic['cmd'] if hasattr(self,cmd): func=getattr(self,cmd) func(head_dic) except Exception: break def put(self,args): file_path=os.path.normpath(os.path.join( self.server_dir, args['filename'] )) filesize=args['filesize'] recv_size=0 print('----->',file_path) with open(file_path,'wb') as f: while recv_size < filesize: recv_data=self.conn.recv(self.max_packet_size) f.write(recv_data) recv_size+=len(recv_data) print('recvsize:%s filesize:%s' %(recv_size,filesize)) tcpserver1=MYTCPServer(('127.0.0.1',8080)) tcpserver1.run() #下列代码与本题无关 class MYUDPServer: """UDP server class.""" address_family = socket.AF_INET socket_type = socket.SOCK_DGRAM allow_reuse_address = False max_packet_size = 8192 coding='utf-8' def get_request(self): data, client_addr = self.socket.recvfrom(self.max_packet_size) return (data, self.socket), client_addr def server_activate(self): # No need to call listen() for UDP. pass def shutdown_request(self, request): # No need to shutdown anything. self.close_request(request) def close_request(self, request): # No need to close anything. pass 服务端
import socket import struct import json import os class MYTCPClient: address_family = socket.AF_INET socket_type = socket.SOCK_STREAM allow_reuse_address = False max_packet_size = 8192 coding='utf-8' request_queue_size = 5 def __init__(self, server_address, connect=True): self.server_address=server_address self.socket = socket.socket(self.address_family, self.socket_type) if connect: try: self.client_connect() except: self.client_close() raise def client_connect(self): self.socket.connect(self.server_address) def client_close(self): self.socket.close() def run(self): while True: inp=input(">>: ").strip() if not inp:continue l=inp.split() cmd=l[0] if hasattr(self,cmd): func=getattr(self,cmd) func(l) def put(self,args): cmd=args[0] filename=args[1] if not os.path.isfile(filename): print('file:%s is not exists' %filename) return else: filesize=os.path.getsize(filename) head_dic={'cmd':cmd,'filename':os.path.basename(filename),'filesize':filesize} print(head_dic) head_json=json.dumps(head_dic) head_json_bytes=bytes(head_json,encoding=self.coding) head_struct=struct.pack('i',len(head_json_bytes)) self.socket.send(head_struct) self.socket.send(head_json_bytes) send_size=0 with open(filename,'rb') as f: for line in f: self.socket.send(line) send_size+=len(line) print(send_size) else: print('upload successful') client=MYTCPClient(('127.0.0.1',8080)) client.run()
十四. 认证客户端的链接合法性
如果你想在分布式系统中实现一个简单的客户端链接认证功能，又不像SSL那么复杂，那么利用hmac+加盐的方式来实现。
from socket import * import hmac,os secret_key=b'linhaifeng bang bang bang' 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) 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)
from socket import * import hmac,os secret_key=b'linhaifeng bang bang bang' 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)
from socket import * def client_handler(ip_port,bufsize=1024): tcp_socket_client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) tcp_socket_client.connect(ip_port) 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)
from socket import * import hmac,os secret_key=b'linhaifeng bang bang bang1111' 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)
十五. socketserver实现并发
待补充...
参考资料: http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/6129246.html