• 29_网络编程-黏包

    一、黏包成因
        
    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。
    对于空消息：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），也可以被发送，udp协议会帮你封装上消息头发送过去。
    可靠黏包的tcp协议：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。
    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，在接收方看了，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束
    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。
     
    总结：黏包直接原因是接收方不知道消息的界限 不知道一次性提取多少数据；根本原因是tcp自身为提供效率，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
     
        只有TCP会黏包，UDP永远不会黏包（udp基于数据报的，但会出现接收数据超出自己设置的范围）
        粘包不一定会发生，如果发生了：1.可能是在客户端已经粘了    2.客户端没有粘，可能是在服务端粘了
    socket数据传输过程中的用户态与内核态说明
    你的程序实际上无权直接操作网卡的，你操作网卡都是通过操作系统给用户程序暴露出来的接口，那每次你的程序要给远程发数据时，其实是先把数据从用户态copy到内核态，这样的操作是耗资源和时间的，频繁的在内核态和用户态之前交换数据势必会导致发送效率降低， 因此socket 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次数据给对方。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP socket 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。
     
    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。
     
        UDP永远不会黏包
     
    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。
    对于空消息：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），也可以被发送，udp协议会帮你封装上消息头发送过去。
    不可靠不黏包的udp协议：udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个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。
     
    用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) – UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误。（丢弃这个包，不进行发送）
     
    用TCP协议发送时，由于TCP是数据流协议，因此不存在包大小的限制（暂不考虑缓冲区的大小），这是指在用send函数时，数据长度参数不受限制。而实际上，所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去，如果这段数据比较长，会被分段发送，如果比较短，可能会等待和下一次数据一起发送。
     
    2、发生黏包的两种情况
     
        (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，数据了很小，会合到一起，产生粘包）
     
        服务端 
     1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 from socket import *
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 
 5 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 6 tcp_socket_server.bind(ip_port)
 7 tcp_socket_server.listen(5)
 8 
 9 conn,addr=tcp_socket_server.accept()
10 
11 data1=conn.recv(10)
12 data2=conn.recv(10)
13 
14 print('----->',data1.decode('utf-8'))
15 print('----->',data2.decode('utf-8'))
16 
17 conn.close()
     
        客户端 
    1 import socket
2 BUFSIZE=1024
3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
4 
5 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
6 res=s.connect_ex(ip_port)
7 
8 s.send('hello'.encode('utf-8'))
9 s.send('egg'.encode('utf-8'))
        (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）
     
        服务端 
     1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 from socket import *
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 
 5 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 6 tcp_socket_server.bind(ip_port)
 7 tcp_socket_server.listen(5)
 8 
 9 
10 conn,addr=tcp_socket_server.accept()
11 
12 
13 data1=conn.recv(2) #一次没有收完整
14 data2=conn.recv(10)#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的
15 
16 print('----->',data1.decode('utf-8'))
17 print('----->',data2.decode('utf-8'))
18 
19 conn.close()
     
        客户端 
    1 #_*_coding:utf-8_*_
2 import socket
3 BUFSIZE=1024
4 ip_port=('127.0.0.1',8080)
5 
6 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
7 res=s.connect_ex(ip_port)
8 
9 s.send('hello egg'.encode('utf-8'))
    总结：
        黏包现象只发生在tcp协议中：
        1.从表面上看，黏包问题主要是因为发送方和接收方的缓存机制、tcp协议面向流通信的特点。
        2.实际上，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
     
    二、黏包解决方案一
        
        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。
        存在的问题：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
        服务端 
     1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 import socket,subprocess
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
 6 
 7 s.bind(ip_port)
 8 s.listen(5)
 9 
10 while True:
11     conn,addr=s.accept()
12     print('客户端',addr)
13     while True:
14         msg=conn.recv(1024)
15         if not msg:break
16         res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,
17                             stdin=subprocess.PIPE,
18                          stderr=subprocess.PIPE,
19                          stdout=subprocess.PIPE)
20         err=res.stderr.read()
21         if err:
22             ret=err
23         else:
24             ret=res.stdout.read()
25         data_length=len(ret)
26         conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
27         data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
28         if data == 'recv_ready':
29             conn.sendall(ret)
30     conn.close()

        客户端

     1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 import socket,time
 3 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))
 5 
 6 while True:
 7     msg=input('>>: ').strip()
 8     if len(msg) == 0:continue
 9     if msg == 'quit':break
10 
11     s.send(msg.encode('utf-8'))
12     length=int(s.recv(1024).decode('utf-8'))
13     s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
14     send_size=0
15     recv_size=0
16     data=b''
17     while recv_size < length:
18         data+=s.recv(1024)
19         recv_size+=len(data)
20 
21     print(data.decode('utf-8'))
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