Python之粘包

Python之粘包

　　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）

　　注意注意注意：

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

　　的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

　　注意：命令ls -l ; lllllll ; pwd 的结果是既有正确stdout结果，又有错误stderr结果

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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

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

         stderr=act_res.stderr.read()
         stdout=act_res.stdout.read()
         conn.send(stderr)
         conn.send(stdout)

服务端

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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

　　上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包

　　让我们再基于udp制作一个远程执行命令的程序

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 from socket import *
 import subprocess

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

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

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

     #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(stderr,addr)
     udp_server.sendto(stdout,addr)
 udp_server.close()

服务端

 from socket import *
 ip_port=('127.0.0.1',9003)
 bufsize=1024

 udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

 while True:
     msg=input('>>: ').strip()
     udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

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

客户端

　　上述程序是基于udp的socket，在运行时永远不会发生粘包

　　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。

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（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。
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，实验略

　　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。

　　两种情况下会发生粘包。

　　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）

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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()

服务端

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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'))

客户端

　　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）

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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()

服务端

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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'))

客户端

　　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

　　解决粘包的low比处理方法：

　　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

　　low版本的解决方法：

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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)
         conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
         data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
         if data == 'recv_ready':
             conn.sendall(ret)
     conn.close()

服务端

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'George'
 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'))
     s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
     send_size=0
     recv_size=0
     data=b''
     while recv_size < length:
         data+=s.recv(1024)
         recv_size+=len(data)

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

客户端

　　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

　　

　　George解决粘包的方法：

　　为字节流加上自定义固定长度报头，报头中包含字节流长度，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取真实数据

　　struct模块

　　该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

　　>>> struct.pack('i',1111111111111)

　　。。。。。。。。。

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

 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)

 #_*_coding:utf-8_*_
 #http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
 __author__ = 'Linhaifeng'
 import struct
 import binascii
 import ctypes

 values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
 values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
 s1 = struct.Struct('I3sf')
 s2 = struct.Struct('4sI')

 print(s1.size,s2.size)
 prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
 print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
 # t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
 # print(t)

 s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
 s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)

 print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
 print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
 print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))

 s3=struct.Struct('ii')
 s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
 print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
 print(s3.unpack_from(prebuffer,0))

关于struct的详细用法

 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()

         conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
         conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

     conn.close()

服务端（自定制报头）

 #_*_coding:utf-8_*_
 __author__ = 'Linhaifeng'
 import socket,time,struct

 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'))

     l=s.recv(4)
     x=struct.unpack('i',l)[0]
     print(type(x),x)
     # print(struct.unpack('I',l))
     r_s=0
     data=b''
     while r_s < x:
         r_d=s.recv(1024)
         data+=r_d
         r_s+=len(r_d)

     # print(data.decode('utf-8'))
     print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

客户端（自定制报头）

　　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 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))) #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()

服务端：定制稍微复杂一点的报头

 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'))
     #print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

客户端