网络编程基础（socket）

一、客户端/服务器架构（C/S架构）

1.硬件C/S架构(打印机)
2.软件C/S架构
　　互联网中处处是C/S架构
　　如网站是服务端，你的浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种）
　　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看它的视频）

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，什么是互联网？

互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，比如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

详情请见网络通信原理：https://www.cnblogs.com/baicai37/p/12722832.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

osi七层图解：

TCP/IP协议三次握手和四次挥手

三次握手：

PS：TCP协议中，主动发起请求的一端称为『客户端』，被动连接的一端称为『服务端』。不管是客户端还是服务端，TCP连接建立完后都能发送和接收数据。

起初，服务器和客户端都为CLOSED状态。在通信开始前，双方都得创建各自的传输控制块（TCB）。
服务器创建完TCB后遍进入LISTEN状态，此时准备接收客户端发来的连接请求。

第一次握手
客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段的头部中SYN=1，ACK=0，seq=x。请求发送后，客户端便进入SYN-SENT状态。

• PS1：SYN=1，ACK=0表示该报文段为连接请求报文。
• PS2：x为本次TCP通信的字节流的初始序号。
  TCP规定：SYN=1的报文段不能有数据部分，但要消耗掉一个序号。

第二次握手
服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1。
该应答发送完成后便进入SYN-RCVD状态。

• PS1：SYN=1，ACK=1表示该报文段为连接同意的应答报文。
• PS2：seq=y表示服务端作为发送者时，发送字节流的初始序号。
• PS3：ack=x+1表示服务端希望下一个数据报发送序号从x+1开始的字节。

第三次握手
当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文段，表示：服务端发来的连接同意应答已经成功收到。
该报文段的头部为：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。
客户端发完这个报文段后便进入ESTABLISHED状态，服务端收到这个应答后也进入ESTABLISHED状态，此时连接的建立完成！

四次挥手：（这里演示的是客户端主动关闭，其实主动关闭方可以是客户端也可是服务器端）

TCP连接的释放一共需要四步，因此称为『四次挥手』。
我们知道，TCP连接是双向的，因此在四次挥手中，前两次挥手用于断开一个方向的连接，后两次挥手用于断开另一方向的连接。

 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ack给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ack给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

========================================================================================================

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1

 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。

 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、套接字的工作流程

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

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)    #如果socket.socket()括号中不加参数默认为TCP

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:

from socket import *
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

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

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（这是伪代码）
    cs = ss.accept() #接受客户端链接
    comm_loop:         #通讯循环（这是伪代码）
        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（这是伪代码）
    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

服务端：

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)  #电话卡
BUFSIZE=1024                #收发消息的尺寸
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.bind(ip_port) #手机插卡
phone.listen(5)     #手机待机

conn,addr=phone.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
phone.close()                       #手机关机

客户端：

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

phone.connect_ex(ip_port)           #拨电话
phone.send('linhaifeng nb'.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)
data=phone.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
print(data.decode('utf-8'))

phone.close()                                       #挂电话

加上链接循环和通信循环：

windows版本：

import socket
import os
iphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
iphone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
iphone.bind(("127.0.0.1",9000))
iphone.listen(5)
while True:
    conn,addr=iphone.accept()
    print('接到来自%s的电话' % addr[0])
    while True:
        try:
            cmd=conn.recv(1024)
            print("客户端命令:{}".format(cmd))
            cmd_data=os.popen(cmd.decode("utf-8")).read()
            conn.send(cmd_data.encode("utf-8"))
        except Exception:
            break
    conn.close()
iphone.close()

import socket
iphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

iphone.connect(("127.0.0.1",9000))
while True:
    msg=input("请输入发送的内容:>>>").strip()
    if len(msg) == 0: continue
    iphone.send(msg.encode("utf-8"))

    data=iphone.recv(1024)
    print(data.decode("utf-8"))
iphone.close()

linux版本：

#/usr/bin/env python3
#encoding:utf-8
import socket
ip_port=('172.16.213.100',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.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)     #可以解决服务器主动关闭，进入等待状态
s.bind(ip_port) #手机插卡
s.listen(5)     #手机待机

while True:
    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:
        msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话
        if not msg:
            print("client {} 已经关闭连接".format(addr[0]))
            break
        print(msg.decode("utf-8"),type(msg))
        conn.send(msg.upper())          #发消息,说话

    conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

#usr/bin/env python3
#encoding:utf-8

import socket
ip_port=('47.114.55.57',9000)
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

s.connect_ex(ip_port)           #拨电话
while True:
    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

注意：

windows版本和linux版本区别在于两者对于客户端突然断开连接的处理方式：

windows是通过异常处理

linux是通过if判断

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：

方法一：

#加入一条socket配置，重用ip和端口（s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) ：1表示启用

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.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)     #可以解决服务器主动关闭，进入等待状态set

方法二：（针对linux）

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

最终版本：（客户端加了主动断开连接）

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.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)     #可以解决服务器主动关闭，进入等待状态
s.bind(ip_port) #手机插卡
s.listen(5)     #手机待机

while True:
    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:
        try:
            msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话
            if not msg:
                print("客户端:{} 已经关闭连接".format(addr[0]))
                break
            print(msg.decode("utf-8"), type(msg))
            conn.send(msg.upper())          #发消息,说话
        except Exception:
            print("客户端:{} 非正常关闭连接".format(addr[0]))
            break
    conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

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
while True:
    msg=input(">>:").strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == "exit()":
        s.close()
        break
    else:
        s.send(msg.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)

        data=s.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
        print(data.decode('utf-8'))

s.close()                                       #挂电话

 示例：客户端输入命令名称,服务端执行命令并将执行结果返回给客户端
方法一：os.popen

import socket
import os
iphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
iphone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
iphone.bind(("127.0.0.1",9000))
iphone.listen(5)
while True:
    conn,addr=iphone.accept()
    print('接到来自%s的电话' % addr[0])
    while True:
        try:
            cmd=conn.recv(1024)
            if not cmd:
                print("客户端:{} 已经关闭连接".format(addr[0]))
                break
            print("客户端命令:{}".format(cmd.decode("utf-8")))
            cmd_stat=os.system(cmd.decode("utf-8"))
            # print(cmd_stat)
            if not cmd_stat:
                cmd_data=os.popen(cmd.decode("utf-8")).read()
                conn.send(cmd_data.encode("utf-8"))
            else:
                conn.send("命令不存在".encode("utf-8"))

        except Exception:
            print("客户端:{} 非正常关闭连接".format(addr[0]))
            break
    conn.close()
iphone.close()

import socket
iphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

iphone.connect(("127.0.0.1",9000))
while True:
    msg=input("请输入命令:>>>").strip()
    if len(msg) == 0: continue
    if msg == "exit()":
        iphone.close()
        break

    else:
        iphone.send(msg.encode("utf-8"))
        data=iphone.recv(1024)
        print(data.decode("utf-8"))

iphone.close()

方法二：subprocess

import socket
import subprocess

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

phone.bind(("127.0.0.1",9000))
phone.listen(5)

#循环连接
while True:
    conn,addr=phone.accept()
    # print(conn,addr)

    #循环通信
    while True:
        try:
            cmd=conn.recv(1024)
            if not cmd:
                print("客户端:{} 已经断开连接".format(addr[0]))
                break
            print("命令名称：%s" %cmd.decode("utf-8"),)
            obj = subprocess.Popen(cmd.decode("utf-8"), shell=True,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stderr=subprocess.PIPE,
                                   )
            obj.wait()
            cmd_stat=subprocess.Popen.poll(obj)
            if not cmd_stat:

                cmd_data = obj.stdout.read()
                if not cmd_data:conn.send("命令:{} 执行成功".format(cmd.decode("utf-8")).encode("gbk"))
                print(cmd_data.decode("gbk"))
                conn.send(cmd_data)
            else:
                err_data = obj.stderr.read()
                conn.send(err_data)
        except Exception:
            print("客户端:{} 非正常退出".format(addr[0]))
            break
    conn.close()
phone.close()

import socket

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

phone.connect(("127.0.0.1",9000))

#循环通信
while True:
    cmd=input("请输入命令:>>>").strip()
    if not cmd:continue
    if cmd == "exit()":
        phone.close()
        break
    phone.send(cmd.encode("utf-8"))

    cmd_data=phone.recv(1024)
    print(cmd_data.decode("gbk"))

phone.close()

client

基于UDP的套接字

udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错

udp服务器端

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()                      # 关闭客户套接字

简单示例：

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',8081))

while True:
    data,client_addr=server.recvfrom(1024)
    print(data,client_addr)
    server.sendto(data.upper(),client_addr)


server.close()

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',8081))
    res=client.recvfrom(1024)
    print(res)

client.close()