python16_day07【Socket网络编程】

一、简介

　　1.理解C/S,B/S

　　2.IOS七层模型（http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html）

　　

二、什么是Socket

　　我们看看Socket的位置在什么地方？

　　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。

三、Socket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

1：服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信
2：客户端发送空，卡主，证明是从哪个位置卡的
TCP服务端：
from socket import *
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)　　#创建套字节
phone.bind(('127.0.0.1',8081))　　　　#把地址绑定套字节
phone.listen(5)　　　　　　　　　　　　　　#监听链接

conn,addr=phone.accept()　　　　　　　　#接受客户罪魁祸首
while True:　　　　　　　　　　　　　　　　#用户数据循环
    data=conn.recv(1024)　　　　　　　　#一次接收1024字节
    print('server===>')
    print(data)
    conn.send(data.upper())　　　　　　#通讯循环
conn.close()　　　　　　　　　　　　　　　　#关闭连接
phone.close()　　　　　　　　　　　　　　　　#关闭服务器套字节
TCP客户端：
from socket import *

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

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0: continue  # 卡住是因为msg为空，没有发送。
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('client====>')
    data=phone.recv(1024)
    print(data)
phone.close()
说明卡的原因：缓冲区为空recv就卡住，引出原理图

3.演示客户端断开链接，服务端的情况，提供解决方法

4.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

5:简单演示udp
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)
UDP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

　　改进版本

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)#电话卡
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
s.bind(ip_port) #手机插卡
s.listen(5)     #手机待机

while True:                         #新增接收链接循环,可以不停的接电话
    conn,addr=s.accept()            #手机接电话
    # print(conn)
    # print(addr)
    print('接到来自%s的电话' %addr[0])
    while True:                         #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息
        msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话

        # if len(msg) == 0:break        #如果不加,那么正在链接的客户端突然断开,recv便不再阻塞,死循环发生

        print(msg,type(msg))

        conn.send(msg.upper())          #发消息,说话

    conn.close()                    #挂电话

s.close()                       #手机关机

服务端改进版

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)
BUFSIZE=1024
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

s.connect_ex(ip_port)           #拨电话

while True:                             #新增通信循环,客户端可以不断发收消息
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    s.send(msg.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)

    feedback=s.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
    print(feedback.decode('utf-8'))

s.close()                                       #挂电话

客户端改进版

　　问题处理：

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

方法二

四、粘包现象

　　1.让我们基于tcp先制作一个远程执行命令的程序（1：执行错误命令 2：执行ls 3：执行ifconfig）

　  2.注意通常windows是gbk,Linux是utf-8

res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
shell=True,
stderr=subprocess.PIPE,
stdout=subprocess.PIPE)　

　　3.下面例子是基于TCP的运行时数据大时会产生粘包

from socket import *
import subprocess

ip_port=('127.0.0.1',8080)
BUFSIZE=1024

tcp_socket_server=socket(AF_INET,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(BUFSIZE)
        if len(cmd) == 0:break

        act_res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stdin=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)

        act_err=act_res.stderr.read()
        if act_err:
            ret=act_err
        else:
            ret=act_res.stdout.read()

        conn.sendall(ret)

服务端

#_*_coding:utf-8_*_
import socket
BUFSIZE=1024
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(BUFSIZE)

    print(act_res.decode('utf-8'),end='')

客户端

　　4.什么是粘包

　　须知：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，为何，且听我娓娓道来，首先需要掌握一个socket收发消息的原理。

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。

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。

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

　　二种情况产生粘包：

　　a.发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据了很小，会合到一起，产生粘包）

服务端

#_*_coding:utf-8_*_
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',8080)

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

conn,addr=tcp_socket_server.accept()

data1=conn.recv(10)
data2=conn.recv(10)

print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))

conn.close()

客户端
#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8080)

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

s.send('hello'.encode('utf-8'))
s.send('feng'.encode('utf-8'))

　　b.接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）

服务端
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',8080)

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

conn,addr=tcp_socket_server.accept()

data1=conn.recv(2) #一次没有收完整
data2=conn.recv(10)#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的

print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))

conn.close()

客户端

import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8080)

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

s.send('hello feng'.encode('utf-8'))

拆包的发生情况

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。

补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输

基于tcp的数据传输请参考我的另一篇文章http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html，tcp在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以tcp是可靠的

而udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠

补充问题二：send(字节流)和recv(1024)及sendall

recv里指定的1024意思是从缓存里一次拿出1024个字节的数据

send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失

五、解决粘包

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

 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

 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)

　　例子：

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)

        conn.send(struct.pack('i',len(head_json))) #先发报头的长度
        conn.send(head_json.encode('utf-8')) #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)
    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'))

六、socketserver(并发socket)

　　(1)简单并发实例

服务器端
import socketserver
import os
import sys

BASE_DIR = os.path.normpath(os.path.join(__file__, os.pardir, os.pardir))
sys.path.insert(0, BASE_DIR)

class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):       # handle里只写通讯循环
        print("服务端启动...")
        while True:
            conn = self.request
            print(self.client_address)
            while True:
                client_data = conn.recv(1024)
                if client_data:
                    print(str(client_data, "utf8"))
                    print("waiting...")
                    conn.sendall(client_data)
            conn.close()

if __name__ == '__main__':
    server = socketserver.ThreadingTCPServer((‘127.0.0.1’, 8000), MyServer)
    server.serve_forever()  # 处理连接循环

客户端

import socket

ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
print("客户端启动：")
while True:
    inp = input('>>>')
    if len(inp) == 0:
        continue       # 按回车,发送数据为空时卡住.
    elif inp == 'exit':
        break
    sk.sendall(bytes(inp, "utf8"))
    server_response = sk.recv(1024)
    print(str(server_response, "utf8"))
sk.close()

　　(2)解决并发和粘包

服务端
#!/usr/bin/env python
# -*-coding:utf8-*-
# __author__ = "willian"
import socketserver
import os
import sys
import subprocess
import struct
import json

BASE_DIR = os.path.normpath(os.path.join(__file__, os.pardir, os.pardir))
sys.path.insert(0, BASE_DIR)

from conf import settings

class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):       # handle里只写通讯循环
        print("服务端启动...")
        while True:
            conn = self.request
            print(self.client_address)
            while True:
                client_data = conn.recv(settings.BUFFER_SIZE)
                if client_data:
                    cmd = str(client_data, 'utf-8')
                    if cmd.startswith('put'):
                        pass
                    elif cmd.startswith('get'):
                        pass
                    else:
                        res = subprocess.Popen(cmd, shell=True,
                                               stdout=subprocess.PIPE,
                                               stderr=subprocess.PIPE)
                        err = res.stderr.read()
                        if err:
                            client_data = err
                        else:
                            client_data = res.stdout.read()
                        # 第一,制作头部
                        headers = {'data_size': len(client_data),
                                   'hash': "xxx",
                                   'file_path': "xxx",
                                   }

                        headers_json = json.dumps(headers)
                        headers_bytes = headers_json.encode('utf8')
                        # 第二, 发送报头长度
                        conn.send(struct.pack('i', len(headers_bytes)))
                        # 第三, 发送报头
                        conn.send(headers_bytes)
                        # 第四, 发送数据
                        conn.sendall(client_data)
            conn.close()

    def put(self):
        pass

    def get(self):
        pass

if __name__ == '__main__':
    server = socketserver.ThreadingTCPServer((settings.HOST, settings.PORT), MyServer)
    server.serve_forever()  # 处理连接循环

客户端
import socket
import struct
import json

ip_port = ('127.0.0.1', 4000)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
print("客户端启动：")
while True:
    inp = input('>>>')
    if len(inp) == 0:
        continue       # 按回车,发送数据为空时卡住.
    elif inp == 'exit':
        break
    sk.sendall(bytes(inp, "utf8"))

    # 收到头部长度
    header = sk.recv(4)
    head_size = struct.unpack('i', header)[0]
    # 收头部
    head_bytes = sk.recv(head_size)
    head_json = head_bytes.decode('utf8')
    headers = json.loads(head_json)

    # 获取真实数据长度
    data_size = headers['data_size']

    # 收取真实数据
    recv_size = 0
    recv_bytes = b''
    while recv_size < data_size:
        ret = sk.recv(1024)
        recv_bytes += ret
        recv_size += len(ret)

    print(str(recv_bytes, "utf8"))
sk.close()