Python全栈开发【Socket网络编程】

Python全栈【socket网络编程】

本章内容：

1. Socket
2. 基于TCP的套接字
3. 基于UDP的套接字
4. TCP粘包
5. SocketServer 模块（ThreadingTCPServer源码剖析）

Socket

1、socket通常也称作"套接字"

用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，对于文件用【打开】【读写】【关闭】模式来操作。socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）

socket和file的区别：

• file模块是针对某个指定文件进行【打开】【读写】【关闭】
• socket模块是针对 服务器端 和 客户端Socket 进行【打开】【读写】【关闭】

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。

 

2、socket层

 

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。

 

 

3、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。 

1）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

2）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)

4、套接字工作流程

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。

★★★★★★TCP套接字工作流程（牢记）

复习三次握手与四次挥手 

socket类

sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM,0)
参数一：地址簇
 
　　socket.AF_INET IPv4（默认）
　　socket.AF_INET6 IPv6
 
　　socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信
 
参数二：类型
 
　　socket.SOCK_STREAM　　流式socket , for TCP （默认）
　　socket.SOCK_DGRAM　　 数据报式socket , for UDP
 
参数三：协议
 
　　0　　（默认）与特定的地址家族相关的协议,如果是 0 ，则系统就会根据地址格式和套接类别,自动选择一个合适的协议
 
 
 
sk.bind(address)
 
　　s.bind(address) 将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族。在AF_INET下，以元组（host,port）的形式表示地址。
 
sk.listen(backlog)
 
　　开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，可以挂起的最大连接数量。
 
      backlog等于5，表示内核已经接到了连接请求，但服务器还没有调用accept进行处理的连接个数最大为5
      这个值不能无限大，因为要在内核中维护连接队列
 
sk.setblocking(bool)
 
　　是否阻塞（默认True），如果设置False，那么accept和recv时一旦无数据，则报错。
 
sk.accept()
 
　　接受连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。
 
　　接收TCP 客户的连接（阻塞式）等待连接的到来
 
sk.connect(address)
 
　　连接到address处的套接字。一般，address的格式为元组（hostname,port）,如果连接出错，返回socket.error错误。
 
sk.connect_ex(address)
 
　　同上，只不过会有返回值，连接成功时返回 0 ，连接失败时候返回编码，例如：10061
 
sk.close()
 
　　关闭套接字
 
sk.recv(bufsize[,flag])
 
　　接受套接字的数据。数据以字符串形式返回，bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
 
sk.recvfrom(bufsize[.flag])
 
　　与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。
 
sk.send(string[,flag])
 
　　将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。即：可能未将指定内容全部发送。
 
sk.sendall(string[,flag])
 
　　将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。
 
      内部通过递归调用send，将所有内容发送出去。
 
sk.sendto(string[,flag],address)
 
　　将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。
 
sk.settimeout(timeout)
 
　　设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如 client 连接最多等待5s ）
 
sk.getpeername()
 
　　返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。
 
sk.getsockname()
 
　　返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
 
sk.fileno()
 
　　套接字的文件描述符

基于TCP的套接字

举例学习：模拟FTP文件上传及断点续传

#tcp_server.py
from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1',8000)
buffer_size = 1024
back_log = 5

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

conn,addr = server.accept()

f_size = int(str(conn.recv(buffer_size).decode('utf-8')))
conn.send(bytes(str(f_size).encode('utf-8')))
recv_size=0
with open('2.txt', 'wb') as f:
    while True:
        if recv_size ==f_size:
            break
        else:
            recv_msg = conn.recv(buffer_size)
            f.write(recv_msg)
            recv_size += len(recv_msg)

#tcp_client.py
from socket import *
import os
ip_port = ('127.0.0.1',8000)
buffer_size = 1024
back_log = 5

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

file_size=os.stat('1.txt').st_size
client.send(str(file_size).encode('utf-8')) #先发送文件大小，解决粘包问题
msg = client.recv(buffer_size)

have_rec = 0
if int(str(msg.decode('utf-8'))) ==file_size:
    with open('1.txt', 'rb') as f:
        for line in f:
            client.send(line)
            have_rec+=len(line)
            print('模拟断点出现')
            break  # 模拟出现断点的情况再续传
    with open('1.txt', 'rb') as f:
        f.seek(have_rec) # 文件指针指到已经上传完成的部分
        for line in f:
            client.send(line)

有时重启服务端时会出现：

解决方法：

#加入一条socket配置，重用ip和端口

ss=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
ss.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #在bind前加setsockopt
ss.bind(('127.0.0.1',8000))

基于UDP的套接字

 服务端

from socket import *
import time
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #面向信息
#UDP无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信
udp_server.bind(ip_port) #需要绑定地址与端口号

while True:
    msg,addr=udp_server.recvfrom(BUFSIZE)
    print(msg.decode('utf-8'),addr)   #hello ('127.0.0.1', 49448)
    if not msg:
        fmt ='%Y-%m-%d %X'
    else:
        fmt ='%Y:%m:%d %X'
    back_time = time.strftime(fmt)
    udp_server.sendto(back_time.encode('utf-8'),addr) #发送信息时需要后面带目的地址信息

客户端

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

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

    udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) #发送带服务端地址信息

    back_msg,addr=udp_client.recvfrom(BUFSIZE)
    print(back_msg.decode('utf-8'))   #2017:01:03 09:24:48

UDP模拟Win下cmd命令（会丢包）

from socket import *
import subprocess
ip_port = ('127.0.0.1',8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024

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

while True:
    cmd,addr = udp_server.recvfrom(buffer_size)
    print('新的客户端链接',addr)

    print('收到客户的命令是',cmd.decode('utf-8'))
    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()
    udp_server.sendto(cmd_res,addr)

from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1',8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024

udp_client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

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

    udp_client.sendto(cmd.encode('utf-8'),ip_port)
    cmd_res,addr = udp_client.recvfrom(buffer_size)
    print('命令执行的结果是',cmd_res.decode('gbk'))
udp_client.close()

TCP粘包