• Python学习(十六)—— socket编程


    一 客户端/服务器架构

    即C/S架构,包括:

    硬件C/S架构(打印机)

    软件C/S架构(web服务)

    最常用的软件服务器是Web服务器。一台机器里放一些网页或Web应用程序,然后启动服务。这样的服务器的任务就是接受客户的请求,把网页发送给客户(如用户计算机上的浏览器),然后等待客户的下一个请求。这些服务启动后的目标就是永远运行下去。虽然它们不可能实现这样的目的,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就会运行相当长的一段时间。

     互联网中处处是C/S架构:百度和我的浏览器、腾讯视频和我的客户端

    C/S架构与socket的关系:学习socket就是为了完成C/S架构的开发

    二 osi七层

    如何基于socket编程,来开发一卷自己的C/S架构软件

    C/S架构的软件(软件属于应用层)是基于网络进行通信的

    网络的核心即一堆协议,协议即标准,我们想要开发一款基于网络通信的软件,就必须遵循这些标准。

    三 socket层

    socket的位置

     

    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接口的后面,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。我们只需遵循socket的规定去编程,写出的程序自然而然遵循TCP/UDP标准。

    注意:

      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,所以大部分时候我们只使用AF_INET)

    六 套接字工作流程

      生活中的场景:拿起电话先拨号,朋友听到电话铃声后接起电话,这样就为你和你的朋友构建起了连接, 可以通话了。等通话结束,则挂掉电话结束通话。

    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

    客户端

    1 import socket
    2 
    3 phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    4 phone.connect(('127.0.0.1', 8000))  # 拨通电话
    5 phone.send('hello'.encode("utf-8"))
    6 data = phone.recv(1024)
    7 print("收到服务器发来的信息:",data.decode("utf-8"))

    服务端

     1 import socket
     2 
     3 phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
     4 phone.bind(('127.0.0.1', 8000)) #绑定手机卡
     5 phone.listen(5)  # 代表最多有多少个链接 开机
     6 print("---->")
     7 conn, addr = phone.accept()  # 等电话,拿到链接
     8 msg = conn.recv(1024)  # 收消息
     9 print("客户端发来的消息:", msg.decode("utf-8"))
    10 conn.send(msg.upper())  # 发消息
    11 
    12 conn.close()
    13 phone.close()

    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

    七 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

    1 ss = socket() #创建服务器套接字
    2 ss.bind()      #把地址绑定到套接字
    3 ss.listen()      #监听链接
    4 inf_loop:      #服务器无限循环
    5     cs = ss.accept() #接受客户端链接
    6     comm_loop:         #通讯循环
    7         cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)
    8     cs.close()    #关闭客户端套接字
    9 ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

    tcp客户端

    1 cs = socket()    # 创建客户套接字
    2 cs.connect()    # 尝试连接服务器
    3 comm_loop:        # 通讯循环
    4     cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)
    5 cs.close()            # 关闭客户套接字

    客户端服务端循环收发消息

     1 from socket import *
     2 ip_port=('127.0.0.5',8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size = 1024
     5 
     6 tcp_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     7 tcp_server.bind(ip_port)
     8 tcp_server.listen(back_log)
     9 
    10 print("服务端开始运行了")
    11 conn,addr = tcp_server.accept() #服务端阻塞
    12 print("双向链接是",conn)
    13 print("客户端地址是",addr)
    14 
    15 while True:
    16     data = conn.recv(buffer_size)
    17     print("客户端发来的消息是", data.decode("utf8"))
    18     conn.send(data.capitalize())
    19 
    20 conn.close()
    21 tcp_server.close()
    服务端
     1 from socket import *
     2 ip_port=('127.0.0.5',8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size = 1024
     5 
     6 tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     7 tcp_client.connect(ip_port)
     8 
     9 while True:
    10     msg = input(">>>>").strip()
    11     tcp_client.send(msg.encode("utf8"))
    12     print("客户端已经发送消息")
    13     data = tcp_client.recv(buffer_size)
    14     print("收到服务端发来的信息为:", data.decode("utf8"))
    15 
    16 tcp_client.close()
    客户端

    服务端循环链接请求来收发消息

     1 from socket import *
     2 ip_port=('127.0.0.5',8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size = 1024
     5 
     6 tcp_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     7 tcp_server.bind(ip_port)
     8 tcp_server.listen(back_log)
     9 while True:
    10     print("服务端开始运行了")
    11     conn, addr = tcp_server.accept()  # 服务端阻塞
    12     print("双向链接是", conn)
    13     print("客户端地址是", addr)
    14     while True:
    15         try:
    16             data = conn.recv(buffer_size)
    17             print("客户端发来的消息是", data.decode("utf8"))
    18             conn.send(data.capitalize())
    19         except Exception:
    20             break
    21     conn.close()
    22 
    23 tcp_server.close()
    服务端
     1 from socket import *
     2 ip_port=('127.0.0.5',8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size = 1024
     5 
     6 tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     7 tcp_client.connect(ip_port)
     8 
     9 while True:
    10     msg = input(">>>>").strip()
    11     tcp_client.send(msg.encode("utf8"))
    12     print("客户端1已经发送消息")
    13     data = tcp_client.recv(buffer_size)
    14     print("收到服务端发来的信息为:", data.decode("utf8"))
    15 
    16 tcp_client.close()
    客户端
     1 from socket import *
     2 ip_port=('127.0.0.5',8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size = 1024
     5 
     6 tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     7 tcp_client.connect(ip_port)
     8 
     9 while True:
    10     msg = input(">>>>").strip()
    11     tcp_client.send(msg.encode("utf8"))
    12     print("客户端2已经发送消息")
    13     data = tcp_client.recv(buffer_size)
    14     print("收到服务端发来的信息为:", data.decode("utf8"))
    15 
    16 tcp_client.close()
    客户端2
    
    

    八 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服务端

    1 ss = socket()   #创建一个服务器的套接字
    2 ss.bind()       #绑定服务器套接字
    3 inf_loop:       #服务器无限循环
    4     cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)
    5 ss.close()      

    udp客户端

    1 cs = socket()   # 创建客户套接字
    2 comm_loop:      # 通讯循环
    3     cs.sendto()/cs.recvfrom()   # 对话(发送/接收)
    4 cs.close()                      # 关闭客户套接字

     示例

    1 from socket import *
    2 ip_port=("127.0.0.1",8080)
    3 buffer_size = 1024
    4 udp_server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) #数据报
    5 udp_server.bind(ip_port)
    6 while True:
    7     data,addr = udp_server.recvfrom(buffer_size)
    8     print(data)
    9     udp_server.sendto(data.upper(),addr)
    udp服务端
     1 from socket import *
     2 ip_port=("127.0.0.1",8080)
     3 buffer_size = 1024
     4 udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) #数据报
     5 
     6 while True:
     7     msg = input(">>>").strip()
     8     if not msg:
     9         continue
    10     udp_client.sendto(msg.encode("utf8"),ip_port)
    11     data,addr = udp_client.recvfrom(buffer_size)
    12     print(data.decode("utf8"))
    udp客户端

    九 recv和recvfrom的区别

    recv在自己这端的缓存区为空时,阻塞

    recvfrom在自己这端的缓存区为空时,接受一个空

    十 粘包模式

    基于tcp实现远程命令运行结果

     1 from socket import *
     2 import subprocess
     3 ip_port=("127.0.1.1",8060)
     4 back_log = 5
     5 buffer_size=1024
     6 
     7 tcp_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     8 tcp_server.bind(ip_port)
     9 tcp_server.listen(back_log)
    10 
    11 while True:
    12     conn,addr=tcp_server.accept()
    13     print("新的客户端链接:",addr)
    14     while True:
    15         #
    16         try:
    17             cmd = conn.recv(buffer_size)
    18             print("收到客户端的命令:", cmd)
    19             # 执行命令,得到命令的运行结果cmd_res
    20             res = subprocess.Popen(cmd.decode("utf8"), shell=True,
    21                                    stderr=subprocess.PIPE,
    22                                    stdout=subprocess.PIPE,
    23                                    stdin=subprocess.PIPE)
    24             err = res.stderr.read()
    25             if err:
    26                 cmd_res = err
    27             else:
    28                 cmd_res = res.stdout.read()
    29                 #
    30 
    31             if not cmd_res:
    32                 cmd_res = "执行成功".encode("gbk")
    33             conn.send(cmd_res)
    34         except Exception as e:
    35             print(e)
    36             break
    tcp服务端
     1 from socket import *
     2 ip_port=("127.0.1.1",8060)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size=1024
     5 tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
     6 tcp_client.connect(ip_port)
     7 while True:
     8     cmd = input(">>>>>").strip()
     9     if not cmd: continue
    10     if cmd =="quit":break
    11     tcp_client.send(cmd.encode("utf8"))
    12     cmd_res = tcp_client.recv(buffer_size)
    13     print("命令的执行结果是:",cmd_res.decode("gbk"))
    14 tcp_client.close()
    tcp客户端

      上述程序是基于tcp的socket,在运行时会发生粘包

    基于udp实现远程命令运行结果

     1 from socket import *
     2 import subprocess
     3 ip_port=("127.7.7.1",8080)
     4 back_log=5
     5 buffer_size =1024
     6 
     7 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
     8 udp_server.bind(ip_port)
     9 while True:
    10     #收消息
    11     cmd,addr = udp_server.recvfrom(buffer_size)
    12     res = subprocess.Popen(cmd.decode("utf8"), shell=True,
    13                            stderr=subprocess.PIPE,
    14                            stdout=subprocess.PIPE,
    15                            stdin=subprocess.PIPE)
    16     err = res.stderr.read()
    17     if err:
    18         cmd_res = err
    19     else:
    20         cmd_res = res.stdout.read()
    21     if not cmd_res:
    22         cmd_res = "执行成功".encode("gbk")
    23     #发消息
    24     udp_server.sendto(cmd_res,addr)
    udp服务端
     1 from socket import *
     2 ip_port=("127.7.7.1",8080)
     3 back_log = 5
     4 buffer_size=1024
     5 udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
     6 
     7 while True:
     8     cmd = input(">>>>>").strip()
     9     if not cmd: continue
    10     if cmd =="quit":break
    11     udp_client.sendto(cmd.encode("utf8"),ip_port)
    12     cmd_res,addr= udp_client.recvfrom(buffer_size)
    13     print("命令的执行结果是:",cmd_res.decode("gbk"))
    14 udp_client.close()
    udp客户端

       上述程序是基于udp的socket,在运行时永远不会发生粘包

    十一 什么是粘包

    只有tcp会发生粘包,udp永远不会发生粘包

    socket收发信息的原理:

      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,在接收方看了,根本不知道该文件的字节流从何处开始,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。

      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。

    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

      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。

      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) 

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