网络编程之粘包问题

什么是粘包

粘包是一种现象  这种现象只出现在TCP中而不会出现在UDP中(TCP和UDP都是传输层中的协议)

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

粘包概念详解：

当发送网络数据时，tcp协议会根据Nagle算法将时间间隔短，数据量小的多个数据包打包成一个数据包，先发送到自己操作系统的缓存中，然后操作系统将数据包发送到目标程序所对应操作系统的缓存中，最后将目标程序从缓存中取出，而第一个数据包的长度，应用程序并不知道，所以会直接取出数据或者取出部分数据，留部分数据在缓存中，取出的数据可能第一个数据包和第二个数据包粘到一起。

想要了解粘包首先需要掌握一个socket收发消息的原理

发送端可以是1k，1k的发送数据而接受端的应用程序可以2k，2k的提取数据，当然也有可能是3k或者多k提取数据，也就是说，应用程序是不可见的，因此TCP协议是面来那个流的协议，这也是容易出现粘包的原因而UDP是面向笑死的协议，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，不能一次提取任一字节的数据，这一点和TCP是很同的。怎样定义消息呢？认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要命的是当对方send一条信息的时候，无论鼎城怎么样分段分片，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器端上传文件，发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的，在接收方看来更笨不知道文件的字节流从何初开始，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

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数据后才发上一个TCP段。如连续几次下需要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。

发生粘包的两种情况

1.发送端需要等本机的缓冲区满了以后才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很端，数据很小，会合在一个起，产生粘包）

1 from socket import *
 2 phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 3 phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
 4 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 5 phone.listen(5)
 6 print('start running...')
 7 
 8 coon,addr = phone.accept() #等待连接
 9 
10 data1 = coon.recv(10)
11 data2 = coon.recv(10)
12 
13 print('------------>',data1.decode('utf-8'))
14 print('------------>',data2.decode('utf-8'))
15 coon.close()
16 phone.close()

1 from socket import *
2 import time
3 phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
4 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
5 
6 phone.send('hello'.encode('utf-8'))
7 phone.send('helloworld'.encode('utf-8'))
8 phone.close()

2.接收端不及时接收缓冲区的包，造成多个包接受（客户端发送一段数据，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 ，就产生粘包）

1 from socket import *
 2 phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 3 phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
 4 phone.bind(('127.0.0.1',8080))
 5 phone.listen(5)
 6 print('start running...')
 7 
 8 coon,addr = phone.accept() #等待连接
 9 
10 data1 = coon.recv(2) #一次没有接收完整
11 data2 = coon.recv(10)  #下一次接收的时候会先取旧的数据,然后取新的
12 # data3 = coon.recv(1024)  #接收等5秒后的信息
13 print('------------>',data1.decode('utf-8'))
14 print('------------>',data2.decode('utf-8'))
15 # print('------------>',data3.decode('utf-8'))
16 coon.close()
17 phone.close()

1 from socket import *
2 import time
3 phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
4 phone.connect(('127.0.0.1',8080))
5 
6 phone.send('hello'.encode('utf-8'))
7 time.sleep(5)
8 phone.send('haiyan'.encode('utf-8'))
9 phone.close()

粘包解决方案

粘包问题的根源在于，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

基本版

 1 import socket
 2 import subprocess
 3 import struct
 4 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
 5 phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #绑定手机卡
 6 phone.listen(5) #阻塞的最大数
 7 print('start runing.....')
 8 while True: #链接循环
 9     coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
10     print(coon,addr)
11     while True: #通信循环
12         # 收发消息
13         cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
14         print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))
15         #处理过程
16         res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
17                                           stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
18                                           stderr=subprocess.PIPE #标准错误
19                                 )
20         stdout = res.stdout.read()
21         stderr = res.stderr.read()
22         #先发报头(转成固定长度的bytes类型，那么怎么转呢？就用到了struct模块)
23         #len(stdout) + len(stderr)#统计数据的长度
24         header = struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr))#制作报头
25         coon.send(header)
26         #再发命令的结果
27         coon.send(stdout)
28         coon.send(stderr)
29     coon.close()
30 phone.close()

1 import socket
 2 import struct
 3 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #连接服
 5 while True:
 6     # 发收消息
 7     cmd = input('请你输入命令>>：').strip()
 8     if not cmd:continue
 9     phone.send(cmd.encode('utf-8')) #发送
10     #先收报头
11     header_struct = phone.recv(4) #收四个
12     unpack_res = struct.unpack('i',header_struct)
13     total_size = unpack_res[0]  #总长度
14     #后收数据
15     recv_size = 0
16     total_data=b''
17     while recv_size<total_size: #循环的收
18         recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
19         recv_size+=len(recv_data) #
20         total_data+=recv_data #
21     print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
22 phone.close()

升级版(完整版)

1 import socket
 2 import subprocess
 3 import struct
 4 import json
 5 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
 6 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
 7 phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #绑定手机卡
 8 phone.listen(5) #阻塞的最大数
 9 print('start runing.....')
10 while True: #链接循环
11     coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
12     print(coon,addr)
13     while True: #通信循环
14         # 收发消息
15         cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
16         print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))
17         #处理过程
18         res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
19                                           stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
20                                           stderr=subprocess.PIPE #标准错误
21                                 )
22         stdout = res.stdout.read()
23         stderr = res.stderr.read()
24         # 制作报头
25         header_dic = {
26             'total_size': len(stdout)+len(stderr),  # 总共的大小
27             'filename': None,
28             'md5': None
29         }
30         header_json = json.dumps(header_dic) #字符串类型
31         header_bytes = header_json.encode('utf-8')  #转成bytes类型(但是长度是可变的)
32         #先发报头的长度
33         coon.send(struct.pack('i',len(header_bytes))) #发送固定长度的报头
34         #再发报头
35         coon.send(header_bytes)
36         #最后发命令的结果
37         coon.send(stdout)
38         coon.send(stderr)
39     coon.close()
40 phone.close()

1 import socket
 2 import struct
 3 import json
 4 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #连接服务器
 6 while True:
 7     # 发收消息
 8     cmd = input('请你输入命令>>：').strip()
 9     if not cmd:continue
10     phone.send(cmd.encode('utf-8')) #发送
11     #先收报头的长度
12     header_len = struct.unpack('i',phone.recv(4))[0]  #吧bytes类型的反解
13     #在收报头
14     header_bytes = phone.recv(header_len) #收过来的也是bytes类型
15     header_json = header_bytes.decode('utf-8')   #拿到json格式的字典
16     header_dic = json.loads(header_json)  #反序列化拿到字典了
17     total_size = header_dic['total_size']  #就拿到数据的总长度了
18     #最后收数据
19     recv_size = 0
20     total_data=b''
21     while recv_size<total_size: #循环的收
22         recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
23         recv_size+=len(recv_data) #有可能接收的不是1024个字节，或许比1024多呢，
24         # 那么接收的时候就接收不全，所以还要加上接收的那个长度
25         total_data+=recv_data #最终的结果
26     print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
27 phone.close()

struct模块 

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

>>> res=struct.pack('i',1111111111111)  #打包成固定长度的bytes

>>> struct.unpack(“I”,res)             #解包

 1 #该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes类型
 2 import struct
 3 res = struct.pack('i',12345)
 4 print(res,len(res),type(res))  #长度是4
 5 
 6 res2 = struct.pack('i',12345111)
 7 print(res,len(res),type(res2))  #长度也是4
 8 
 9 unpack_res =struct.unpack('i',res2)
10 print(unpack_res)  #(12345111,)
11 print(unpack_res[0]) #12345111