python—socket编程

一：客户端/服务器 架构

 1.硬件C/S架构：(例如，打印机)
 2.软件C/S架构：互联网中处处是C/S架构
                　　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它的视频

 C/S架构与socket的关系：socket就是为完成C/S架构的开发

二：什么是socket？

socket抽象层是位于应用层与运输层之间的，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。

三：什么是套接字？

 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)。

tcp套接字工作流程：

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

套接字工作流程

客户端：
import socket

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

phone.connect(('127.0.0.1',8000))  #拨通电话 ip地址+ 端口号

phone.send('hello'.encode('utf-8'))
data=phone.recv(1024)
print('收到的服务端发来的消息是：',data)

服务器端：
import socket

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.bind(('127.0.0.1',8000))
phone.listen(5)
print("----》")
conn,addr=phone.accept()  #等电话

msg=conn.recv(1024)  #收消息
print('客户端发来的消息是：',msg)
conn.send(msg.upper())  #发消息

conn.close()
phone.close()

客户端与服务器端的小例子

 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(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

（tcp是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去链接服务端）

三次握手，四次挥手：

客户端，服务端循环收发消息：

 服务端：
 from socket import *
 ip_port=('10.253.69.142',55102)
 back_log=5
 buffer_size=1024

 tcp_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 tcp_server.bind(ip_port)
 tcp_server.listen(back_log)

 conn,addr=tcp_server.accept()
 print('双向链接是',conn)
 print('客户端地址是',addr)

 while True:
     data=conn.recv(buffer_size)
     print('客户端发来的消息是',data.decode('utf-8'))
     conn.send(data.upper())

 conn.close()
 tcp_server.close()

 客户端：
 from socket import *
 ip_port=('10.253.69.142',55102)
 back_log=5
 buffer_size=1024

 tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 tcp_client.bind(ip_port)

 while True:
     msg=input('>>:').strip()
     tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
     print('客户端已发送消息')
     data=tcp_client.recv(buffer_size)
     print('收到服务端发来的消息')

 tcp_client.close()

四：基于UDP的套接字  （udp是无链接的，不管先启动哪一端都可以）

 客户端：
 from socket import *
 ip_port=('172.29.89.106',8080)
 buffer_size=1024

 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #数据报

 while True:
     msg=input('>>:').strip()
     udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)  #sendto括号后面必须加ip_port

     data,addr=udp_client.recvfrom(buffer_size)
     print(data.decode('utf-8'))

 服务端：
 from socket import *
 ip_port=('172.29.89.106',8080)
 buffer_size=1024

 udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #数据报
 udp_server.bind(ip_port)

 while True:
     data,addr=udp_server.recvfrom(buffer_size)
     print(data)

     udp_server.sendto(data.upper(),addr)

时间服务器：

 客户端：
 from socket import *
 ip_port=('172.29.89.106',8080)
 buffer_size=1024

 tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

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

     data=tcp_client.recv(buffer_size)

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

 tcp_client.close()

 服务端：
 from socket import *
 from time import strftime

 ip_port = ('172.29.89.106', 8080)
 buffer_size = 1024

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

 while True:
     msg, addr = tcp_server.recvfrom(buffer_size)
     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()

五：粘包

只有tcp会出现粘包的问题，udp不会

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

1. 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，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。
2. 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。
3. 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
4. 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
5. 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。

以下两种情况下会发生粘包现象：

 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：
 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：
 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'))

 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'))