python基础之socket编程part1

一 客户端/服务器架构

即C/S架构，包括

1.硬件C/S架构（打印机）

2.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,把网页发给客户(如用户计算机上的浏览器),然 后等待下一个客户请求。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 目标,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就能运行非常长的一段时间。

生活中的C/S架构：

XX是S端，所有的XX是C端（你懂的？）

饭店是S端，所有的食客是C端

互联网中处处是C/S架构（黄色网站是服务端，你的浏览器是客户端；腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看狗日的视频）

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

**所以**：

c/s架构
server端特点：
1.力求一直提供服务（链接循环），（基于一个链接通信循环）
2.要绑定一个唯一的地址，让客户端能够明确的找到

二 osi七层协议

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（访问个黄色网站，发个黄色微博啥的），互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，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。人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级，详细了解请查看下面老司机egon的大作：

网络通信原理：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html

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。

4.最后：就让我们从这些标准开始研究，开启我们的socket编程之旅

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。

**关于TCP协议中的三次握手和四次挥手**

1.过程图：

2.我们先来看三次握手：

首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。

3.再看断开的过程：

【注意】中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。

假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！

整个过程Client端所经历的状态如下：

而Server端所经历的过程如下：

【注意】 在TIME_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

转于：http://blog.csdn.net/whuslei/article/details/6667471

三 socket层

四 socket到底是什么

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。

***自我理解***：

什么是socket？什么是套接字？
socket就是一种基于互联网的套接字，它封装了tcp和udp的相关的各种协议，使它们变成供开发人员使用的简单的接口
套接字其实就是一种能简单的实现两个程序或者文件之间通讯的方法，
它有两种方式：基于文件的和基于网络的，基于网络的就是socket的实现方式，
所以基于网络通信的基本都是基于socket实现的，而socket的工作方式又有两种，就是基于tcp的和基于udp的这两种方式。

>>也有人将socket说成ip+port(端口)，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 套接字发展史以及分类

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，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

六 套接字的工作流程

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

socket()模块函数用法

import socket
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。

获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

服务器套接字函数

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

1：用打电话的流程快速描述socket通信
2：服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信
3：客户端发送空，卡主，证明是从哪个位置卡的
服务端：
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.bind(('127.0.0.1',8081))
phone.listen(5)

conn,addr=phone.accept()
while True:
    data=conn.recv(1024)
    print('server===>')
    print(data)
    conn.send(data.upper())
conn.close()
phone.close()
客户端：
from socket import *

phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8081))

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('client====>')
    data=phone.recv(1024)
    print(data)

说明卡的原因：缓冲区为空recv就卡住，引出原理图



4.演示客户端断开链接，服务端的情况，提供解决方法

5.演示服务端不能重复接受链接，而服务器都是正常运行不断来接受客户链接的

6:简单演示udp
服务端
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
phone.bind(('127.0.0.1',8082))
while True:
    msg,addr=phone.recvfrom(1024)
    phone.sendto(msg.upper(),addr)
客户端
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
while True:
    msg=input('>>: ')
    phone.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8082))
    msg,addr=phone.recvfrom(1024)
    print(msg)

udp客户端可以并发演示
udp客户端可以输入为空演示，说出recvfrom与recv的区别，暂且不提tcp流和udp报的概念，留到粘包去说

基于TCP的套接字

tcp服务端：

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

tcp客户端：

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

下面用打电话的比方帮助理解：

import socket

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(("127.0.0.1",8080))#绑定手机卡
phone.listen(5)#开机

print("starting....")
while True:
    conn,addr=phone.accept()#等待电话连接
    print("电话线路是",conn)
    print("客户端手机号是",addr)
    while True:
        try:#此方法为win系统解决单方面断开问题的方法
            date=conn.recv(1024)#收消息
            # if not date:break#此为linux方法
            print("客户端发来的消息是",date)
            conn.send(date.upper())
        except Exception:
            break
conn.close()
phone.close()

import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(("127.0.0.1",8080))#这里没有绑定是它不需要提供服务
while True:
    msg=input("请输入：")#输入消息
    if not msg:continue
    phone.send(msg.encode("utf8"))#发送消息
    data=phone.recv(1024)#接收返回的消息
    print(data)#打印接收的消息
phone.close()#关闭通话

 新的整理：

import socket#导入socket模块

obj=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#得到服务端的特性信息和标准
obj.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)#解决客户端重复请求问题
obj.bind(("127.0.0.2",8080))#服务端绑定一个ip和端口(告诉别人我的位置在哪里)
obj.listen(5)#服务端一次可以为几个客户端提供服务，可以定义成变量

while True:#连接循环---持续保持等待状态
    conn,addr=obj.accept()#保持对外开放的状态
    # print(conn)
    # print(addr)
    print("等待...")
    while True:#通信循环---与客户建立好连接后保持持续的通信状态
        try:#捕捉客户端单方面断开连接服务端出现的异常并进行处理
            msg=conn.recv(1024)#收消息---以byes格式接收客户端的发来的信息
            conn.send("这是你的：%s".encode("utf8")%(msg))#根据收到的信息逻辑思考后再向客户端反馈自己的信息
        except Exception:#出现客户端单方面断开连接后直接退出与这个客户端建好的通信循环。
            break
    conn.close()#执行关闭与客户端的连接服务

obj.close()#服务端全线关闭？(目前我理解的是关服，停服，游戏维护？)

import socket
#同服务端的注释信息
obj=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)#要与服务器一致
obj.connect(("127.0.0.2",8080))#连接服务器的ip和端口
# obj.connect_ex(("127.0.0.2",8080)) #不知道这个和上面的有什么区别
while True:#通信循环
    msg=input("请输入：")
    obj.send(msg.encode("utf8"))
    res=obj.recv(1024)
    print(res.decode("utf8"))

obj.close()

注意：

服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，所以必须有两个循环：链接循环和通信循环。

问题：

有时候我们在重启服务端的时候可能会遇到

这个是由于你的服务端仍然存在四次挥手的time_wait状态在占用地址（如果不懂，请深入研究1.tcp三次握手，四次挥手 2.syn洪水攻击 3.服务器高并发情况下会有大量的time_wait状态的优化方法）

解决方法：

#加入一条socket配置，重用ip和端口

phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind(('127.0.0.1',8080))

发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接，通过调整linux内核参数解决，
vi /etc/sysctl.conf

编辑文件，加入以下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
 
然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。
 
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。

net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间

基于UDP的套接字

基本结构：

udp服务端

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

udp客户端

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

udp套接字简单示例

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = '777'
import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

udp_server_client.bind(ip_port)

while True:
    msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
    print(msg,addr)

    udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = '777'
import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
BUFSIZE=1024
udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

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

    udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

    back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
    print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

***由于udp无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信***

了解时间服务器

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = '777'
from socket import *
from time import strftime

ip_port=('127.0.0.1',9000)
bufsize=1024

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

while True:
    msg,addr=tcp_server.recvfrom(bufsize)
    print('===>',msg)
    
    if not msg:
        time_fmt='%Y-%m-%d %X'
    else:
        time_fmt=msg.decode('utf-8')
    back_msg=strftime(time_fmt)

    tcp_server.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)

tcp_server.close()

 

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = '777'
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9000)
bufsize=1024

tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)



while True:
    msg=input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip()
    tcp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

    data=tcp_client.recv(bufsize)

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

tcp_client.close()

recv、send(tcp)与recvfrom、sendto(udp)的区别

=====================part1:  须知=====================

收发消息的原理如图：

发消息，就是将数据发送到自己端的发送缓存中，收消息都是从自己端的缓存中收

　　　　1.tcp：send 发消息， recv 收消息

　　　　2.udp：sendto 发消息， recvfrom 收消息

=====================part2:  send与sendto=====================

 tcp是基于数据流的，而udp是基于数据报的：

1. send(bytes_data):发送数据流，数据流bytes_data若为空，自己这段的缓冲区也为空，操作系统不会控制tcp协议发空包
2. sendto(bytes_data,ip_port)：发送数据报，bytes_data为空，还有ip_port,所有即便是发送空的bytes_data,数据报其实也不是空的，自己这端的缓冲区收到内容，操作系统就会控制udp协议发包。

=====================part3:  recv与recvfrom====================

1.tcp协议：

（1）如果收消息缓冲区里的数据为空，那么recv就会阻塞（阻塞很简单，就是一直在等着收）

（2）只不过tcp协议的客户端send一个空数据就是真的空数据，客户端即使有无穷个send空，也跟没有一个样。

（3）tcp基于链接通信

• 基于链接，则需要listen（backlog），指定半连接池的大小
• 基于链接，必须先运行的服务端，然后客户端发起链接请求
• 对于mac系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端在收消息后加上if判断，空消息就break掉通信循环)
• 对于windows/linux系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端通信循环内加异常处理，捕捉到异常后就break掉通讯循环)

*测试--->自行测试

2.udp协议

（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom也会阻塞

（2）只不过udp协议的客户端sendinto一个空数据并不是真的空数据（包含：空数据+地址信息，得到的报仍然不会为空），所以客户端只要有一个sendinto（不管是否发送空数据，都不是真的空数据），服务端就可以recvfrom到数据。

（3）udp无链接

• 无链接，因而无需listen（backlog），更加没有什么连接池之说了
• 无链接，udp的sendinto不用管是否有一个正在运行的服务端，可以己端一个劲的发消息，只不过数据丢失
• recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，在mac和linux系统上数据直接丢失，在windows系统上发送的比接收的大直接报错
• 只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失

*测试---->自行测试

注意：

1.你单独运行上面的udp的客户端，你发现并不会报错，相反tcp却会报错，因为udp协议只负责把包发出去，对方收不收，我根本不管，而tcp是基于链接的，必须有一个服务端先运行着，客户端去跟服务端建立链接然后依托于链接才能传递消息，任何一方试图把链接摧毁都会导致对方程序的崩溃。

2.上面的udp程序，你注释任何一条客户端的sendinto，服务端都会卡住，为什么？因为服务端有几个recvfrom就要对应几个sendinto，哪怕是sendinto(b'')那也要有