socket粘包现象加解决办法

socket粘包现象分析与解决方案

简单远程执行命令程序开发（内容回顾）

res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
#subprocess模块详情见模块详解

命令结果的编码是以当前所在的系统为准的，如果是windows，那么res.stdout.read()读出的就是GBK编码的，在接收端需要用GBK解码，且只能从管道里读一次结果

远程执行命令操蛋版本

服务端

import socket
import subprocess

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)


tcp_socket_server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)

while True:
    conn, addr = tcp_socket_server.accept()
    print('客户端', addr)

    while True:
        cmd = conn.recv(1024)
        if len(cmd) == 0: break
        print("recv cmd",cmd)
        res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True,
                               stdout=subprocess.PIPE,
                               stdin=subprocess.PIPE,
                               stderr=subprocess.PIPE)

        stderr = res.stderr.read().decode("gbk")  # window 与 mac 不相同
        stdout = res.stdout.read()
        print("res length", len(stdout))
        conn.send(stderr)
        conn.send(stdout)

客户端

import socket

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
res = s.connect_ex(ip_port)

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

    s.send(msg.encode('utf-8'))
    act_res = s.recv(1024)

    print(act_res.decode('utf-8'), end='')  # print 不换行打印

尝试执行ls、pwd命令,你惊喜的发现，拿到了正确的结果！

but 莫开心太早，此时执行一个结果比较长的命令，比如top -bn 1， 你发现依然可以拿到结果，但如果再执行一条df -h的话，就发现，你拿到并不是df命令的结果，而是上一条top命令的部分结果。为啥?为啥？

because:

top命令的结果比较长，但客户端只recv(1024), 可结果比1024长呀，那怎么办，只好在服务器端的IO缓冲区里把客户端还没收走的暂时存下来，等客户端下次再来收，所以当客户端第2次调用recv(1024)就会首先把上次没收完的数据先收下来，再收df命令的结果。

how to solute:

有些同学说，直接把recv(1024)改大不就好了，改成500010000或whatever. 可我的亲，这么干的话，并不能解决实际问题，因为你不可能提前知道对方返回的结果数据大下，无论你改成多大，对方的结果都有可能比你设置的大，另外这个recv并不是真的可以随便改特别大的，有关部门建议的不要超过8192，再大反而会出现影响收发速度和不稳定的情况

大揭秘

同志们，这个现象叫做粘包，就是指两次结果粘到一起了。它的发生主要是因为socket缓冲区导致的，来看一下

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。

内核态用户态请参考：https://blog.csdn.net/youngyoungla/article/details/53106671

粘包问题只存在于TCP中，Not UDP

还是看上图，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。

总结

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。

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

基于UDP的命令执行程序

服务端：

import socket
import subprocess

ip_port = ('127.0.0.1', 9003)
bufsize = 1024

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

while True:
    # 收消息
    cmd, addr = udp_server.recvfrom(bufsize)
    print('用户命令----->', cmd,addr)

    # 逻辑处理
    res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE,
                           stdout=subprocess.PIPE)
    stderr = res.stderr.read()
    stdout = res.stdout.read()

    # 发消息
    udp_server.sendto(stdout + stderr, addr)

udp_server.close()

客户端

from socket import *

import time

ip_port = ('127.0.0.1', 9003)
bufsize = 1024

udp_client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

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

    udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'), ip_port)
    data, addr = udp_client.recvfrom(bufsize)
    print(data.decode('utf-8'), end='')

粘包的解决办法

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

普通解决办法

服务端

import socket,subprocess
ip_port=('127.0.0.1',8080)
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

s.bind(ip_port)
s.listen(5)

while True:
    conn,addr=s.accept()
    print('客户端',addr)
    while True:
        msg=conn.recv(1024)
        if not msg:break
        res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,
                            stdin=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE,
                         stdout=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        if err:
            ret=err
        else:
            ret=res.stdout.read()
        data_length=len(ret) #先发送数据的大小
        conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
        data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
        if data == 'recv_ready':
            conn.sendall(ret)  #发送数据的全部
    conn.close()

客户端

import socket,time
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'))
    length=int(s.recv(1024).decode('utf-8')) #接受数据的长度
    s.send('recv_ready'.encode('utf-8')) #发送相应
    send_size=0
    recv_size=0
    data=b''
    while recv_size < length: #循环接受
        data+=s.recv(1024)
        recv_size+=len(data) #为


    print(data.decode('utf-8'))

为何low？

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

最终解决办法

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。

那么这个时候我们需要用到一个模块struct模块。struct模块的作用就是可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes。比如：struct.pack('i',1111111111111)

重点来了：！！！！！！！！！！！！！！！

我们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：
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：
先手报头长度，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

sturct模块用法可见上面的文章

服务端

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))) #打包头部消息 并且 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()

客户端

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) #先收4个bytes，这里4个bytes里包含了报头的长度
head_json_len=struct.unpack('i',head)[0] #解出报头的长度
head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8')) #拿到报头
data_len=head_json['data_size'] #取出报头内包含的信息

#开始收数据
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