Python开发——12.socket编程

一、OSI七层

1.物理层

物理层的主要功能是基于电气特性发送高低电压（高代表1，低代表0）形成电信号，使计算机完成组网以达到接入Internet的目的

2.数据链路层

数据链路层是用来定义电信号的分组方式，使单纯的电信号0和1变得有意义

（1）以太网协议

以太网协议（ethernet）是统一的分组标准，以太网协议规定：a.一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”；b。每一数据帧分成报头head和数据data两部分

报头（head）固定为18个字节，发送者即源地址、接受者即目标地址和数据类型各占6个字节

数据（data）最短为46字节，最长为1500字节，它包含了数据包的具体内容

（2）mac地址和广播

ethernet规定接入Internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址即网卡地址，又称mac地址。

ethernet采用广播的方式进行通信，一台主机通过ARP协议获取另一台主机的mac地址

3.网络层

网络层引入了一套新的地址即网络地址来区分不同的广播域

（1）IP协议

IP地址规定了网络地址由32位2进制表示，即从0.0.0.0-255.255.255.255，IP地址分为主机部分和网络部分

（2）子网掩码

子网掩码是描述子网络特征的参数，形式上与IP地址一致，但网络部分全部为1，主机部分全部为0，利用子网掩码与IP地址进行and运算（两个位数都为1运算结果为1，否则为0），结果相同表明在同一个子网络中。

（3）ARP协议

通过广播的方式发送数据包来获取目标主机的mac地址

4.传输层

传输层是用来建立端口到端口的通信，端口范围为0-65535，其中0-1023为系统占用端口

（1）tcp协议和udp协议

TCP协议为可靠传输，通常TCP的数据包的长度不会超过IP数据包的长度，理论上可以无限长；UDP协议为不可靠传输，总长度不超过65535个字节

（2）tcp协议的三次握手和四次挥手

5.应用层

用来规定开发的应用程序的数据格式

二、socket

1.客户端/服务端架构

即client/server（C/S）架构，socket就是为了实现C/S架构的开发，C/S架构的软件是基于网络进行通信的。

2.socket层

3.socket定义

socket是应用层与TCP/IP协议通信的中间层，是一组封装了TCP/IP协议的接口，用户遵循socket规定编程即遵循tcp/udp协议

socket主要有基于文件类型（AF_UNIX）和基于网络类型（AF_INET）两种家族。

4.工作流程

5.基于TCP的套接字

tcp是基于链接的，必须先启动服务端

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)

from socket import *
import subprocess
ip_port = ("10.10.27.37",8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024

ftp_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
ftp_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
ftp_server.bind(ip_port)
ftp_server.listen(back_log)

while True:
    conn,addr = ftp_server.accept()
    print("新的客户端链接",addr)
    while True:
        try:
            cmd = conn.recv(buffer_size)
            print("收到客户端的命令",cmd)
            if not cmd:
                break
            res = subprocess.Popen(cmd.decode("utf-8"),shell = True,
                                   stderr=subprocess.PIPE,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stdin=subprocess.PIPE)
            err = res.stderr.read()
            if err:
                cmd_res = err
            else:
                cmd_res = res.stdout.read()
            conn.send(cmd_res)
        except Exception:
            break
    conn.close()

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

from socket import *
ip_port = ("10.10.27.37",8000)
buffer_size = 1024

ftp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
ftp_client.connect(ip_port)

while True:
    cmd = input(">>>:")
    if not cmd :
        continue
    if cmd == "quit":
        break
    ftp_client.send(cmd.encode("utf-8"))
    res = ftp_client.recv(buffer_size)
    print(res.decode("gbk"))
ftp_client.close()

6.基于udp的套接字

udp是无连接的，可以先启动任意一端

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

from socket import *
ip_port = ("10.10.27.37",8001)
buffer_size = 1024

udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
udp_server.bind(ip_port)

while True:
    data,addr =udp_sever.recvfrom(buffer_size)
    print(data,addr)
    udp_server.sendto(data.upper(),addr)

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

from socket import *
udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
ip_port = ("10.10.27.37",8001)
buffer_size = 1024

while True:
    msg = input(">>>:")
    udp_client.sendto(msg.encode("utf-8"),ip_port)
    data,addr = udp_client.recvfrom(buffer_size)
    print(addr)
    print(data.decode("utf-8"))

7.粘包

（1）tcp和udp区别

• 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

（2）粘包现象

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。

• 正常情况

• 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，数据了很小，会合到一起，产生粘包）

• 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） 

（3）解决粘包的方法

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：先收报头长度，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

from socket import *
import subprocess,struct
ip_port = ("10.10.27.37",666)
back_log = 5
buffer_size = 1024

tcp_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_server.bind(ip_port)
tcp_server.listen(back_log)

while True:
    conn,addr = tcp_server.accept()
    print("新的客户端链接",addr)
    while True:
        #收
        try:
            cmd = conn.recv(buffer_size)
            if not cmd :break
            print("收到客户端的命令",cmd)

            #执行命令，得到的运行结果cmd_res
            res = subprocess.Popen(cmd.decode("utf_8"),shell=True,
                                   stderr = subprocess.PIPE,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stdin=subprocess.PIPE)
            err = res.stderr.read()
            if err:
                cmd_res = err
            else:
                cmd_res = res.stdout.read()

            #发
            if not cmd_res:
                cmd_res="执行成功".encode("gbk")
            #解决粘包
            length = len(cmd_res)

            data_length = struct.pack("i",length)#struct模块需要了解
            conn.send(data_length)
            conn.send(cmd_res)
        except Exception:
            break

from socket import *
import struct
from functools import partial
ip_port = ("10.10.27.37",666)
back_log = 5
buffer_size = 1024

tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_client.connect(ip_port)

while True:
    cmd = input(">>>").strip()
    if not cmd:continue
    if cmd =="quit":break

    tcp_client.send(cmd.encode("utf-8"))
    #解决粘包
    length_data = tcp_client.recv(4)
    length = struct.unpack("i",length_data)[0]

    # recv_msg ="".join(iter(partial(tcp_client.recv,buffer_size),b""))
    recv_size = 0
    recv_data = "b"
    while recv_size<length:
        recv_data=tcp_client.recv(buffer_size)
        recv_size= len(recv_data)
    print("命令的执行结果是",recv_data.decode("gbk"))
tcp_client.close

（4）TCP实现并发

基于tcp的套接字，关键就是两个循环，一个链接循环，一个通信循环，利用socketserver模块中的两大类：server类（解决链接问题）和request类（解决通信问题）来实现并发

import socketserver
class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("conn in:",self.request)#conn
        print("addr is:",self.client_address)#addr

        while True:
            #收消息
            try:
                data = self.request.recv(1024)
                if not data:break
                print("客户端收到的消息是：",data)

                #发消息
                self.request.sendall(data.upper())
            except Exception:
                break
if __name__ == "__main__":
    s = socketserver.ThreadingTCPServer(("10.10.27.37",8181),MyServer)#多进程
    # s = socketserver.ForkingTCPServer(("10.10.27.37",8181),MyServer)#多线程，系统开销高于多进程

    s.serve_forever()

from socket import *
ip_port = ("10.10.27.37",8181)
back_log = 5
buffer_size = 1024


tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_client.connect(ip_port)

while True:
    msg = input(">>>").strip()
    if not msg:continue

    tcp_client.send(msg.encode("utf-8"))
    data = tcp_client.recv(1024)
    print("收到服务端发来的消息",data.decode("utf-8"))

tcp_client.close