socket编程

什么是socket

  • 定义

socket通常也称作套接字,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。

socket起源于Unix,而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”,对于文件用【打开】【读写】【关闭】模式来操作。socket就是该模式的一个实现,socket即是一种特殊的文件,一些socket函数就是对其进行的操作(读/写IO、打开、关闭)

  • socket和file的区别:

    • file模块是针对某个指定文件进行【打开】【读写】【关闭】
    • socket模块是针对 服务器端 和 客户端Socket 进行【打开】【读写】【关闭】
  • python相关

Python 提供了两个基本的 socket 模块。py2位大写,py3全部小写
第一个是 Socket,它提供了标准的 BSD Sockets API。
第二个是 SocketServer, 它提供了服务器中心类,可以简化网络服务器的开发

socket编程实现

  • 流程图:

  • 说明:

    • 服务端

      1.服务端需要导入socket模块,并创建套接字(实例化为一个对象)

      import socket
      s = socket.socket()

      2.绑定套接字s到本地IP和端口

      ip_port = ('127.0.0.1',8080)
      s.bind(ip_port)

      3.监听连接

      s.listen(0)
      
      PS:0表示缓冲区可挂起的连接数量 0表示不限制,1表示 可挂起一个,那么意思就是连接一个、挂起一个,第三个再连接的话,就无法连接,会超时

      4.接收客户端建立连接的请求

      conn,addr = s.accept()
      PS:conn为一个客户端和服务器建立的连接,addr为客户端ip

      5.接收客户端的消息,并做相应处理

      recv_data = conn.recv(1024)
      send_data = recv_data.upper() #将客户端发送的内容转换为大写,注意。python3里面客户端发送的都是二进制数据,python2里可以发送字符串

      6.给客户端回消息

      conn.send(send_data)

      7.关闭连接

      conn.close()
    • 客户端
      1.创建套接字

      import socket
      
      s = socket.socket()

      2.连接服务端

      ip_port = ('127.0.0.1',8080)
      s.connect(ip_port)

      3.给服务端发送消息

      send_data = input('请输入: ')
      s.send(send_data.encode()) #注意py3发送的数据需要转换为二进制,不能直接发送字符串

      4.接收服务端消息,并打印

      recv_data = s.recv(1024)
      print(recv_data.decode()) #服务端回应的是二进制,所以需要转换为字符串

      5.关闭连接

      s.close()

以上就是一个简单的客户端和服务端socket连接,并发送消息,读消息,回消息的过程,初学者可能一下子就懵了,请看下面的类比,

  • 类比

    通过上面的服务端和客户端的一个简单的交互,可以将其比作打电话,小明是服务端,小红是客户端
    • 小明

      1. 小明为了接收电话,他首先得买个手机,此步骤类同创建socket套接字
      2. 小明有了手机,需要办一张电话卡,此步骤类同绑定套接字搭配监听的ip和端口
      3. 小明有了手机和电话卡,则手机开机,处于待机状态 此步骤类同监听客户端连接
      4. 当小红打电话进来之后,需要接电话,此类同于接收客户端建立连接的请求
    • 小红

      1. 小红在和小明打电话前得有个通信工具等等,所以需要找到一部手机,类同创建一个套接字
      2. 小红需要知道小明的电话号码,并拨打电话,此步骤就等于客户端连接服务端
    • 小红和小明交互

    小红:你好 此时小红是发消息,小明此时处于收消息的状态
    小明:你好 小明收到小红发的你好消息,做出回应,此时小明开始给小红发消息,小红处于收消息状态
    最后小红收到了小明的消息,小明此时已经挂断电话,最后此次通信已断

    注意此次通信只是一个简单的交互过程,交互完成之后,则先完成方会主动关系连接。如果要持续通信,请继续往下看

  • 实现服务端保持连接,不受客户端断开而断开,并实现客户端和服务端持续交互过程

服务端

import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)

s = socket.socket()
s.bind(ip_port) s.listen(0) while True: #此次while循环用于客户端断开连接之后,重新循环建立新连接
conn,addr = s.accept() while True: #此while循环用于客户端和服务器持续交互
recv_data = conn.recv(1024)
if not recv_data: break #判断消息是否为空,当消息为空时,跳出循环,如果不判断的话,客户端那边如果主动断开连接,将会导致服务端处于一个不停的收消息的死循环中,因为连接已断开,处于非阻塞状态
send_data = recv_data.upper() #将客户消息转换为大写
conn.send(send_data)
conn.close()

客户端:

import socket

s = socket.socket()

ip_port = ('127.0.0.1',8080)

s.connect(ip_port)

while True:
send_data = input('请输入: ')
if send_data == 'exit':break
elif send_data == '':continue
s.send(send_data.encode())
recv_data = s.recv(1024)
print(recv_data.decode())
s.close()

运行服务端和客户端,效果如下:

请输入: hello
HELLO
请输入: Jeck
JECK
请输入: 123
123
请输入:
请输入: exit Process finished with exit code 0

socket模块功能

  • socket 类型

    socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM,0)

    • 参数一:地址簇
         socket.AF_INET IPv4(默认)
         socket.AF_INET6 IPv6
         socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信

    • 参数二:类型
        socket.SOCK_STREAM  流式socket , for TCP (默认)
        socket.SOCK_DGRAM   数据报式socket , for UDP
        socket.SOCK_RAW 原始套接字,普通的套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文,而SOCK_RAW可以;其次,SOCK_RAW也可以处理特殊的IPv4报文;此外,利用原始套接字,可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。
        socket.SOCK_RDM 是一种可靠的UDP形式,即保证交付数据报但不保证顺序。SOCK_RAM用来提供对原始协议的低级访问,在需要执行某些特殊操作时使用,如发送ICMP报文。SOCK_RAM通常仅限于高级用户或管理员运行的程序使用。
        socket.SOCK_SEQPACKET 可靠的连续数据包服务

    • 参数三:协议

   0  (默认)与特定的地址家族相关的协议,如果是 0 ,则系统就会根据地址格式和套接类别,自动选择一个合适的协议

  • socket方法

    • sk.bind(address)

    将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族。在AF_INET下,以元组(host,port)的形式表示地址。

    • sk.listen(backlog)
        开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前,可以挂起的最大连接数量。backlog等于5,表示内核已经接到了连接请求,但服务器还没有调用accept进行处理的连接个数最大为5,这个值不能无限大,因为要在内核中维护连接队列

    • sk.setblocking(bool)

    是否阻塞(默认True),如果设置False,那么accept和recv时一旦无数据,则报错。

    • sk.accept()

    接受连接并返回(conn,address),其中conn是新的套接字对象,可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。
    接收TCP 客户的连接(阻塞式)等待连接的到来

    • sk.connect(address)

    连接到address处的套接字。一般,address的格式为元组(hostname,port),如果连接出错,返回socket.error错误。

    • sk.connect_ex(address)

    同上,只不过会有返回值,连接成功时返回 0 ,连接失败时候返回编码,例如:10061

    • sk.close()

    关闭套接字

    • sk.recv(bufsize[,flag])

    接受套接字的数据。数据以字符串形式返回,bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息,通常可以忽略

    • sk.recvfrom(bufsize[.flag])

    与recv()类似,但返回值是(data,address)。其中data是包含接收数据的字符串,address是发送数据的套接字地址。

    • sk.send(string[,flag])

    将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量,该数量可能小于string的字节大小。即:可能未将指定内容全部发送。

    • sk.sendall(string[,flag])

    将string中的数据发送到连接的套接字,但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None,失败则抛出异常。内部通过递归调用send,将所有内容发送出去。

    • sk.sendto(string[,flag],address)

    将数据发送到套接字,address是形式为(ipaddr,port)的元组,指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。

    • sk.settimeout(timeout)

    设置套接字操作的超时期,timeout是一个浮点数,单位是秒。值为None表示没有超时期。一般,超时期应该在刚创建套接字时设置,因为它们可能用于连接的操作(如 client 连接最多等待5s )

    • sk.getpeername()

    返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组(ipaddr,port)。

    • sk.getsockname()

    返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)

    • sk.fileno()

  套接字的文件描述符

  • 案例:模拟ssh

    • 服务端:
import socket
import subprocess ip_port = ('127.0.0.1',8080) s = socket.socket()
s.bind(ip_port) s.listen(0) while True:
conn,addr = s.accept() while True:
try:
recv_data = conn.recv(1024)
if not recv_data: break
p = subprocess.Popen(str(recv_data,encoding='utf-8'),shell=True,stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE) #执行shell命令,并将标准输出和错误输出放到缓冲区
res = p.stdout.read()
if not res:
send_data = p.stderr.read()
else:
send_data = res data_size = len(send_data)
conn.send(send_data)
except Exception:
break
conn.close()
* 客户端
import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)

s = socket.socket()

s.connect(ip_port)
while True: send_data = input('>>: ')
if send_data == 'exit':exit()
elif not send_data:continue
s.send(bytes(send_data,encoding='utf-8'))
recv_data = s.recv(1024)
print(recv_data.decode())
s.close()

执行结果:

>>:  df -h
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
/dev/disk1 112G 51G 62G 45% / >>: netstat -lnt
Active Internet connections
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
tcp4 0 0 172.16.23.42.57334 23.83.227.252.8023 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.1080 127.0.0.1.57333 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.57333 127.0.0.1.1080 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.8080 127.0.0.1.57332 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.57332 127.0.0.1.8080 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.57328 223.252.199.7.80 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 172.16.23.42.57269 163.177.72.143.993 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.57047 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.57045 163.177.90.125.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 172.16.23.42.56988 114.215.186.163.443 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.56632 163.177.72.143.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 10.255.0.10.56374 10.2
>>: route -n
0.7.12.22 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.56229 163.177.90.125.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 10.255.0.10.54889 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.54605 203.130.45.173.6929 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.53228 10.20.7.12.22 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.53122 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52902 42.62.89.250.1194 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.1337 127.0.0.1.52901 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.52901 127.0.0.1.1337 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52899 17.172.232.10.5223 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52855 17.252.236.157.5223 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52790 223.252.199.6.6003 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.50124 223.167.82.210.80 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.50026 1

从结果中发现,执行df -h 返回正常结果,执行netstat -lnt返回了一半的结果,继续执行命令,仍然返回的是netstat -lnt的结果,这就发生了粘包现象

  • 粘包解决

    所谓粘包现象就是服务端把数据发过来之后,客户端接收时会按一定大小来接收,决定此操作的是s.recv(1024),1024是每次接收的包大小,第一次没有接收完的话,第二次会继续接收原来的数据包,这就是粘包现象,解决办法就是,服务端在发送数据时,现告诉客户端本次数据的大小,然后再发送数据,客户端收到数据大小之后,循环接收数据,知道接收完成再终止此次循环,这样就可以拿到所有的数据,解决了粘包现象

    • 服务端改造:
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
#pyversion:python3.5
#owner:fuzj import socket
import subprocess ip_port = ('127.0.0.1',8080) s = socket.socket()
s.bind(ip_port) s.listen(0) while True:
conn,addr = s.accept() while True:
try:
recv_data = conn.recv(1024)
if not recv_data: break
p = subprocess.Popen(str(recv_data,encoding='utf-8'),shell=True,stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
res = p.stdout.read()
if not res:
send_data = p.stderr.read()
else:
send_data = res data_size = len(send_data) #计算数据大小
conn.send(bytes(str(data_size),encoding='utf-8')) #发送数据大小
res = conn.recv(1024) #接收客户端状态
conn.send(send_data) #发送数据
except Exception:
break
conn.close()
* 客户端改造:
import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)

s = socket.socket()

s.connect(ip_port)

while True:

    send_data = input('>>:  ')
if send_data == 'exit':exit()
elif not send_data:continue
s.send(bytes(send_data,encoding='utf-8')) recv_size = 0
data = b''
data_size = str(s.recv(1024),encoding='utf-8') #接收数据大小
s.send(bytes('ok',encoding='utf-8')) #发送此时的状态
while recv_size < int(data_size): #循环接收数据,直到接收完所有数据
recv_data = s.recv(1024)
data += recv_data
recv_size += len(recv_data) print(str(data,encoding='utf-8')) s.close()

运行结果:发现已经解决上述问题

>>:  df -h
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
/dev/disk1 112G 51G 62G 45% / >>: netstat -lnt
Active Internet connections
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
tcp4 0 0 172.16.23.42.57476 223.252.199.7.80 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 127.0.0.1.8080 127.0.0.1.57475 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.57475 127.0.0.1.8080 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.57474 223.252.199.7.80 LAST_ACK
tcp4 0 0 172.16.23.42.57465 23.83.227.252.8023 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.1080 127.0.0.1.57464 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.57464 127.0.0.1.1080 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.57461 23.83.227.252.8023 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.1080 127.0.0.1.57460 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.57460 127.0.0.1.1080 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.57455 163.177.72.143.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 10.255.0.10.57047 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.57045 163.177.90.125.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 172.16.23.42.56988 114.215.186.163.443 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.56632 163.177.72.143.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 10.255.0.10.56374 10.20.7.12.22 ESTABLISHED
tcp4 27 0 172.16.23.42.56229 163.177.90.125.993 CLOSE_WAIT
tcp4 0 0 10.255.0.10.54889 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.54605 203.130.45.173.6929 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.53228 10.20.7.12.22 ESTABLISHED
tcp4 0 0 10.255.0.10.53122 203.130.45.175.9000 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52902 42.62.89.250.1194 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.1337 127.0.0.1.52901 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.52901 127.0.0.1.1337 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52899 17.172.232.10.5223 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52855 17.252.236.157.5223 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.52790 223.252.199.6.6003 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.50124 223.167.82.210.80 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.50026 123.151.10.187.14000 ESTABLISHED
tcp4 0 0 172.16.23.42.49612 163.177.90.125.993 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.49871 127.0.0.1.49375 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.49375 127.0.0.1.49871 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.49871 127.0.0.1.49370 ESTABLISHED
tcp4 0 0 127.0.0.1.49370 127.0.0.1.49871 ESTABLISHED
tcp4 0 0 192.168.123.164.49282 112.90.83.61.443 ESTABLISHED

socketserver 实现支持多客户端

上述ssh模拟客户端只能支持一定数量的客户端,受s.listen(0)参数限制。下面可以实现支持多客户端操作

SocketServer内部使用 IO多路复用 以及 “多线程” 和 “多进程” ,从而实现并发处理多个客户端请求的Socket服务端。即:每个客户端请求连接到服务器时,Socket服务端都会在服务器是创建一个“线程”或者“进程” 专门负责处理当前客户端的所有请求

  • ThreadingTCPServer

    ThreadingTCPServer实现的Soket服务器内部会为每个client创建一个 “线程”,该线程用来和客户端进行交互

  • 实现步骤:

    • 1.创建一个类,并继承SocketServer.BaseRequestHandler 的类
    • 2.在新类中需要创建一个handle的方法
    • 3.启动ThreadingTCPServer

代码如下:

import socketserver
import subprocess class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler): #继承
def handle(self): #handle方法。注意此时send和recv时调用的self.request方法
self.request.sendall(bytes('Welcome',encoding='utf-8'))
while True:
try:
recv_data = self.request.recv(1024)
if not recv_data: break
p = subprocess.Popen(str(recv_data, encoding='utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
res = p.stdout.read()
if not res:
send_data = p.stderr.read()
else:
send_data = res
if not send_data:
send_data = 'no output'.encode() data_size = len(send_data)
self.request.send(bytes(str(data_size), encoding='utf-8'))
self.request.recv(1024)
self.request.send(send_data)
except Exception:
break if __name__ == '__main__': server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyServer) #启动server
server.serve_forever()

PS:SocketServer.BaseRequestHandler类源码:其定义了三个方法:setup(),handle()he finish()
执行顺序为:setup(0-->handle()-->finish()
```

class BaseRequestHandler:

def __init__(self, request, client_address, server):
self.request = request
self.client_address = client_address
self.server = server
self.setup()
try:
self.handle()
finally:
self.finish() def setup(self):
pass def handle(self):
pass def finish(self):
pass
SocketServer.BaseRequestHandler

```

  • ThreadingTCPServer源码剖析

  • 内部调用流程

    • 启动服务端程序
    • 执行 TCPServer.__init__ 方法,创建服务端Socket对象并绑定 IP 和 端口
    • 执行 BaseServer.__init__ 方法,将自定义的继承自SocketServer.BaseRequestHandler 的类 MyRequestHandle赋值给 self.RequestHandlerClass
    • 执行 BaseServer.server_forever 方法,While 循环一直监听是否有客户端请求到达 ...
    • 当客户端连接到达服务器
    • 执行 ThreadingMixIn.process_request 方法,创建一个 “线程” 用来处理请求
    • 执行 ThreadingMixIn.process_request_thread 方法
    • 执行 BaseServer.finish_request 方法,执行 self.RequestHandlerClass() 即:执行 自定义 MyRequestHandler 的构造方法(自动调用基类BaseRequestHandler的构造方法,在该构造方法中又会调用 MyRequestHandler的handle方法)

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