网络编程之socket模块

一、TCP协议

　　TCP是可靠的、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。

二、基于TCP的socket模块

　　socket通常称为“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。

　　服务端：

import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8090))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)  #接收客户端信息
print(ret)       #打印客户端信息
conn.send(b'hi')        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)

　　客户端：

import socket
sk = socket.socket()           # 创建客户套接字
sk.connect(('127.0.0.1',8090))    # 尝试连接服务器
sk.send(b'hello!')
ret = sk.recv(1024)         # 对话(发送/接收)
print(ret)
sk.close()            # 关闭客户套接字

　　我们在遇到这种情况时：

                                       

　　解决方法是：

#加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)   #接收客户端信息
print(ret)              #打印客户端信息
conn.send(b'hi')        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)

三、粘包问题

　　同时执行多条命令之后，得到的结果很可能只有一部分，在执行其他命令的时候又接收到之前执行的另外一部分结果，这种显现就是黏包

　　客户端：

import json
import socket
import struct


client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1',8080))


while True:
    msg = input('>>>:').encode()
    if len(msg) == 0: continue
    client.send(msg)
    # 先接收字典报头
    header_dict = client.recv(4)
    # 解析报头，获取字典的长度
    dict_size = struct.unpack('i',header_dict)[0]
    # 接收字典数据
    dict_bytes = client.recv(dict_size)
    dict_json = json.loads(dict_bytes.decode('utf-8'))
    # 从字典中获取信息
    print(dict_json)
    recv_size = 0
    real_data = b''
    while recv_size < dict_json.get('file_size'):
        data = client.recv(1024)
        real_data += data
        recv_size += len(data)
    print(real_data.decode('gbk'))

　　服务端：

import json
import subprocess
import struct
import socket


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)


while True:
    conn,adrr = server.accept()
    while True:
        try:
            cmd = conn.recv(1024)
            if len(cmd) == 0:break
            cmd = cmd.decode('utf-8')
            obj = subprocess.Popen(cmd,shell=True,stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
            res = obj.stdout.read()+obj.stderr.read()
            d = {'name':'json','file_size':len(res),'info':'guygyuygu'}
            json_d = json.dumps(d)
            # 先制作一个字典的报头
            header = struct.pack('i',len(json_d))
            # 发送字典报头
            conn.send(header)
            # 发送字典
            conn.send(json_d.encode('utf-8'))
            # 发送真实数据
            conn.send(res)
        except ConnectionResetError:
            break
    conn.close()
            

　　TCP协议拆包机制：

　　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协议粘包现象成因：

　　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。

四、粘包问题的解决方案

　　问题的根源在于接收端不知道发送端将要传输的字节流的长度，所以解决粘包问题的方法就是围绕，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，然后接收端来个死循环，接收完所有的数据。

　　程序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，我们可以借助模块来把可以要发送的数据长度转换成固定长度的字节，这样客户端在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看接下来要接收的信息的大小，最终接收的数据只要达到这个数值就停止，就能刚好不多不少的接收完整的数据，struct模块可以把一个类型转化为固定长度的bytes

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)

五、socketserver

import socketserver
class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        self.data = self.request.recv(1024).strip()
        print("{} wrote:".format(self.client_address[0]))
        print(self.data)
        self.request.sendall(self.data.upper())

if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999

    # 设置allow_reuse_address允许服务器重用地址
    socketserver.TCPServer.allow_reuse_address = True
    # 创建一个server, 将服务地址绑定到127.0.0.1:9999
    server = socketserver.TCPServer((HOST, PORT),Myserver)
    # 让server永远运行下去，除非强制停止程序
    server.serve_forever()

server端

　

import socket

HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999
data = "hello"

# 创建一个socket链接，SOCK_STREAM代表使用TCP协议
with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:
    sock.connect((HOST, PORT))          # 链接到客户端
    sock.sendall(bytes(data + "
", "utf-8")) # 向服务端发送数据
    received = str(sock.recv(1024), "utf-8")# 从服务端接收数据

print("Sent:     {}".format(data))
print("Received: {}".format(received))

client

　　

　

　

　　

#加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)   #接收客户端信息
print(ret)              #打印客户端信息
conn.send(b'hi')        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)