socket

osi七层模型

引子

须知一个完整的计算机系统是由硬件、操作系统、应用软件三者组成,具备了这三个条件，一台计算机系统就可以自己跟自己玩了（打个单机游戏，玩个扫雷啥的）

如果你要跟别人一起玩，那你就需要上网了，什么是互联网？

互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，比如全世界人通信的标准是英语，如果把计算机比作人，互联网协议就是计算机界的英语。所有的计算机都学会了互联网协议，那所有的计算机都就可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。

osi七层模型

人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级：

3.socket概念

socket层

理解socket

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。

其实站在你的角度上看，socket就是一个模块。我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的连接和通信。
也有人将socket说成ip+port，因为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。
所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序，并且使用socket模块来与之通信。

3.套接字（socket）的发展史

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，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

4.tcp协议和udp协议

TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用TCP的应用：Web浏览器；电子邮件、文件传输程序。

UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用UDP的应用：域名系统 (DNS)；视频流；IP语音(VoIP)。

我知道说这些你们也不懂，直接上图。

基于TCP协议的socket

import socket
sk=socket.socket()
sk.bind(("127.0.0.1",9090)) #服务端地址
sk.listen()                   #监听链接  
conn,addr=sk.accept()        #获取客户端链接和地址
conn.send(b"hello")         #向客户端发送内容
msg=conn.recv(1024)          # 接受客户端发送的内容
print(msg)
conn.close()
sk.close()

import socket
sk=socket.socket()
sk.connect(("127.0.0.1",9090))  #要访问的地址
ret= sk.recv(1024)               #接受访问的内容
print(ret)                      #打印内容
sk.send(b"byebye")             #向服务端发送内容
sk.close()

基于UDP协议的socket

import socket
sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)  #给予UDP 必须有type=socket.SOCK_DGRAM
sk.bind(("127.0.0.1",8080))             #本地ip
msg,addr=sk.recvfrom(1024)                #接受客户端传递信息和地址
print(msg,addr)                           #打印
sk.sendto(b"zxc",addr)                   #给客户端传送信息
sk.close()

import socket
sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)  #基于UDP 必须有type=socket.SOCK_DGRAM
ip=("127.0.0.1",8080)
sk.sendto(b"qwer",ip)                 #将信息发送到ip
msg,addr=sk.recvfrom(1024)             #接受服务端信息和地址
print(msg,addr)
sk.close()

黏包成因

TCP协议中的数据传递

tcp协议的拆包机制

当发送端缓冲区的长度大于网卡的MTU时，tcp会将这次发送的数据拆成几个数据包发送出去。 
MTU是Maximum Transmission Unit的缩写。意思是网络上传送的最大数据包。MTU的单位是字节。 大部分网络设备的MTU都是1500。如果本机的MTU比网关的MTU大，大的数据包就会被拆开来传送，这样会产生很多数据包碎片，增加丢包率，降低网络速度。

面向流的通信特点和Nagle算法

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协议特点的黏包现象成因 

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

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。

UDP不会发生黏包

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。

会发生黏包的两种情况

情况一 发送方的缓存机制

情况二 接收方的缓存机制

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

黏包的解决方案

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。

我们可以借助一个模块，这个模块可以把要发送的数据长度转换成固定长度的字节。这样客户端每次接收消息之前只要先接受这个固定长度字节的内容看一看接下来要接收的信息大小，那么最终接受的数据只要达到这个值就停止，就能刚好不多不少的接收完整的数据了。

struct模块

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

>>> struct.pack('i',1111111111111)

struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 #这个是范围

 

import json,struct
#假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt

#为避免粘包,必须自定制报头
header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T数据,文件路径和md5值

#为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes
head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成bytes,用于传输

#为了让客户端知道报头的长度,用struck将报头长度这个数字转成固定长度:4个字节
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #这4个字节里只包含了一个数字,该数字是报头的长度

#客户端开始发送
conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes
conn.send(head_bytes) #再发报头的字节格式
conn.sendall(文件内容) #然后发真实内容的字节格式

#服务端开始接收
head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度

head_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取报头

#最后根据报头的内容提取真实的数据,比如
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

#_*_coding:utf-8_*_
#http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
__author__ = 'Linhaifeng'
import struct
import binascii
import ctypes

values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
s1 = struct.Struct('I3sf')
s2 = struct.Struct('4sI')

print(s1.size,s2.size)
prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
# t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
# print(t)


s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)

print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))

s3=struct.Struct('ii')
s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s3.unpack_from(prebuffer,0))

使用struct解决黏包 

借助struct模块，我们知道长度数字可以被转换成一个标准大小的4字节数字。因此可以利用这个特点来预先发送数据长度。

发送时	接收时
先发送struct转换好的数据长度4字节	先接受4个字节使用struct转换成数字来获取要接收的数据长度
再发送数据	再按照长度接收数据

import socket,struct,json
import subprocess
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加

phone.bind(('127.0.0.1',8080))

phone.listen(5)

while True:
    conn,addr=phone.accept()
    while True:
        cmd=conn.recv(1024)
        if not cmd:break
        print('cmd: %s' %cmd)

        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
                             shell=True,
                             stdout=subprocess.PIPE,
                             stderr=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        print(err)
        if err:
            back_msg=err
        else:
            back_msg=res.stdout.read()


        conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

    conn.close()

#_*_coding:utf-8_*_
import socket,time,struct

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == 'quit':break

    s.send(msg.encode('utf-8'))



    l=s.recv(4)
    x=struct.unpack('i',l)[0]
    print(type(x),x)
    # print(struct.unpack('I',l))
    r_s=0
    data=b''
    while r_s < x:
        r_d=s.recv(1024)
        data+=r_d
        r_s+=len(r_d)

    # print(data.decode('utf-8'))
    print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

我们还可以把报头做成字典，字典里包含将要发送的真实数据的详细信息，然后json序列化，然后用struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）

发送时	接收时
先发报头长度	先收报头长度，用struct取出来
再编码报头内容然后发送	根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化
最后发真实内容	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

import socket,struct,json
import subprocess
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加

phone.bind(('127.0.0.1',8080))

phone.listen(5)

while True:
    conn,addr=phone.accept()
    while True:
        cmd=conn.recv(1024)
        if not cmd:break
        print('cmd: %s' %cmd)

        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
                             shell=True,
                             stdout=subprocess.PIPE,
                             stderr=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        print(err)
        if err:
            back_msg=err
        else:
            back_msg=res.stdout.read()

        headers={'data_size':len(back_msg)}
        head_json=json.dumps(headers)
        head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')

        conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度
        conn.send(head_json_bytes) #再发报头
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

    conn.close()

from socket import *
import struct,json

ip_port=('127.0.0.1',8080)
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while True:
    cmd=input('>>: ')
    if not cmd:continue
    client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))

    head=client.recv(4)
    head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
    head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
    data_len=head_json['data_size']

    recv_size=0
    recv_data=b''
    while recv_size < data_len:
        recv_data+=client.recv(1024)
        recv_size+=len(recv_data)

    print(recv_data.decode('utf-8'))
    #print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

 

socket的更多方法介绍

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
s.sendall()         发送TCP数据
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

官方文档对socket模块下的socket.send()和socket.sendall()解释如下：

socket.send(string[, flags])
Send data to the socket. The socket must be connected to a remote socket. The optional flags argument has the same meaning as for recv() above. Returns the number of bytes sent. Applications are responsible for checking that all data has been sent; if only some of the data was transmitted, the application needs to attempt delivery of the remaining data.

send()的返回值是发送的字节数量，这个数量值可能小于要发送的string的字节数，也就是说可能无法发送string中所有的数据。如果有错误则会抛出异常。

–

socket.sendall(string[, flags])
Send data to the socket. The socket must be connected to a remote socket. The optional flags argument has the same meaning as for recv() above. Unlike send(), this method continues to send data from string until either all data has been sent or an error occurs. None is returned on success. On error, an exception is raised, and there is no way to determine how much data, if any, was successfully sent.

尝试发送string的所有数据，成功则返回None，失败则抛出异常。

故，下面两段代码是等价的：

#sock.sendall('Hello world
')

#buffer = 'Hello world
'
#while buffer:
#    bytes = sock.send(buffer)
#    buffer = buffer[bytes:]

验证客户端链接的合法性

import os
import socket
import hmac
def check_client(conn):
    secret_key = b'egg'  # 密钥
    send_str = os.urandom(32)
    conn.send(send_str)
    hmac_obj = hmac.new(secret_key,send_str)
    secret_ret = hmac_obj.digest()  #bytes类型
    if conn.recv(1024) == secret_ret:
        print('合法的客户端')
        return   True
    else:
        print('非法的客户端')
        return   False


sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8090))
sk.listen()

conn,addr = sk.accept()
ret = check_client(conn)
while ret:
    inp = input('>>>')
    conn.send(inp.encode('utf-8'))
    msg = conn.recv(1024)
    print(msg.decode('utf-8'))
conn.close()
sk.close()

import socket
import hmac
sk = socket.socket()
sk.connect(('127.0.0.1',8090))

recv = sk.recv(1024)
# 用和server端相同的手法对这个字符串进行摘要
secret_key = b'egg'  # 密钥
hmac_obj = hmac.new(secret_key,recv)
ret = hmac_obj.digest()
sk.send(ret)
msg = sk.recv(1024)
if msg:
    print(msg.decode('utf-8'))
    while True:
        inp = input('>>>')
        sk.send(inp.encode('utf-8'))
        msg = sk.recv(1024)
        print(msg.decode('utf-8'))
sk.close()

socketserver

（一个服务器可以连多个客户端）