socket编程
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
将socket说成ip+port,ip是用来标识互联网中的一台主机的位置,而port是用来标识这台机器上的一个应用程序,ip地址是配置到网卡上的,而port是应用程序开启的,ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序
而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识
a.套接字介绍
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)
套接字的工作流程:
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
socket()模块函数用法
import socket #导入socket模块
格式:socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
(socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0)
获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
例如tcpSock =socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
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
b.基于TCP的套接字
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
服务端:
ss = socket() #创建服务器套接字 ss.bind() #把地址绑定到套接字 ss.listen() #监听链接 inf_loop: #服务器无限循环 cs = ss.accept() #接受客户端链接 comm_loop: #通讯循环 cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送) cs.close() #关闭客户端套接字 ss.close() #关闭服务器套接字(可选)
客户端:
cs = socket() # 创建客户套接字 cs.connect() #尝试连接服务器 comm_loop: #通讯循环 cs.send()/cs.recv() # 对话(发送/接收) cs.close() #关闭客户套接字
练习:
服务端
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: #链接循环,可以不停地接收链接 conn,addr=s.accept() #接电话 print('接到来自%s的电话' %addr[0]) while True: #通讯循环,可以不断的进行通信,收发消息 msg=conn.recv(BUFSIZE) #接收消息 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 conn.send(msg.upper()) #发送消息 conn.close() #挂电话 s.close() #手机关机
客户端
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.connect_ex(ip_port) #拨电话 while True: #通信循环,可以不断收发消息 msg=input('>>>:').strip() if len(msg) == 0 :continue s.send(msg.encode('utf-8')) #发送消息(只能发送字节类型) feedback=s.recv(BUFSIZE) #收消息 print(feedback.decode('utf-8')) s.close() #挂电话
有的同学在重启服务端时可能会遇到
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*** 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:
方法一:
#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))
方法二:
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***,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
c.基于UDP的套接字
udp是无链接的,先启动哪一端都不会报错
udp服务端
ss = socket() #创建一个服务器的套接字 ss.bind() #绑定服务器套接字 inf_loop: #服务器无限循环 cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送) ss.close() # 关闭服务器套接字
udp客户端
cs = socket() # 创建客户套接字 comm_loop: # 通讯循环 cs.sendto()/cs.recvfrom() # 对话(发送/接收) cs.close() # 关闭客户套接字
练习:
1.聊天工具
服务端
import socket ip_port=('127.0.0.1',8081) udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机 udp_server_sock.bind(ip_port) while True: qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024) print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8'))) back_msg=input('回复消息: ').strip() udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)
客户端
import socket BUFSIZE=1024 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) qq_name_dic={ '狗哥alex':('127.0.0.1',8081), '瞎驴':('127.0.0.1',8081), '一棵树':('127.0.0.1',8081), '武大郎':('127.0.0.1',8081), } while True: qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip() while True: msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip() if msg == 'quit':break if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name]) back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE) print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8'))) udp_client_socket.close()
2.时间服务器
服务端
# _*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' from socket import * from time import strftime ip_port = ('127.0.0.1', 9000) bufsize = 1024 tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) tcp_server.bind(ip_port) while True: msg, addr = tcp_server.recvfrom(bufsize) 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()
客户端
#_*_coding:utf-8_*_ __author__ = 'Linhaifeng' from socket import * ip_port=('127.0.0.1',9000) bufsize=1024 tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) while True: msg=input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip() tcp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) data=tcp_client.recv(bufsize) print(data.decode('utf-8')) tcp_client.close()
ssh远程执行命令
服务端
import socket 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) print('server start...') while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令,拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() conn.send(stdout+stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close() phone.close()
客户端:
import socket phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #收命令的执行结果 cmd_res=phone.recv(1024) #打印结果 print(cmd_res.decode('gbk')) phone.close()
d.粘包现象
只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包
Socket收发数据原理:
发送端可以是1K 1K地发送数据,而接收端的应用程序可以2K 2K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
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。这也是容易出现粘包问题的原因。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
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,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
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,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
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
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:
1.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,数据量很小,会合到一起,产生粘包)
2. 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)
粘包现象服务端:
from socket import * s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) s.bind(('127.0.0.1',8080)) s.listen(5) conn,addr=s.accept() #收发消息 data1=conn.recv(5) print('data1:',data1) data2=conn.recv(5) print('data2',data2) conn.close() s.close()
粘包现象客户端
from socket import * import time c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) c.connect(('127.0.0.1',8080)) c.send('hello'.encode('utf-8')) # time.sleep(3) c.send('world'.encode('utf-8')) c.close()
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
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
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:(推荐第二种)
思路: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
方法1:
ssh远程执行命令(制作报头,然后把报头的长度发送给接收方)
服务端
import socket import struct 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) print('server start...') while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令,拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() #制作报头 header=struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr)) #先发报头(固定长度) conn.send(header) #再发真实的数据 conn.send(stdout) conn.send(stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close() phone.close()
客户端
import socket import struct phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #先收报头 header=phone.recv(4) total_size=struct.unpack('i',header)[0] #再收命令的执行结果 recv_size=0 data=b'' while recv_size < total_size: recv_data=phone.recv(1024) recv_size+=len(recv_data) data+=recv_data #打印结果 print(data.decode('gbk')) phone.close()
方法2:
ssh远程执行命令(制作报头,使用struct模块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)
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
struct模块可以把一个类型,如数字,转成固定长度的bytes
例如:struct.pack('i',1111111111111)
Struct模块的格式
服务端
import socket import struct import subprocess import json 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) print('server start...') while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令,拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() #制作报头 header_dic={'total_size':len(stdout)+len(stderr),'md5':None} header_json=json.dumps(header_dic) header_bytes=header_json.encode('utf-8') #1 先发报头的长度(固定4个bytes) conn.send(struct.pack('i',len(header_bytes))) #2 先发报头 conn.send(header_bytes) #3 再发真实的数据 conn.send(stdout) conn.send(stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close() phone.close()
客户端
import socket import struct import json phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #先收报头的长度 struct_res=phone.recv(4) header_size=struct.unpack('i',struct_res)[0] #再收报头 header_bytes=phone.recv(header_size) head_json=header_bytes.decode('utf-8') head_dic=json.loads(head_json) total_size=head_dic['total_size'] #再收命令的执行结果 recv_size=0 data=b'' while recv_size < total_size: recv_data=phone.recv(1024) recv_size+=len(recv_data) data+=recv_data #打印结果 print(data.decode('gbk')) phone.close()
e.socketserver实现并发
基于tcp的套接字,关键就是两个循环,一个链接循环,一个通信循环
socketserver模块中分两大类:
1.server类(解决链接问题)
与链接有关的方法:
BaseServer TCPServer UDPServer UnixStreamServer UnixDatagramServer
基于多线程实现并发的方法:
ThreadingMixIn ThreadingTCPServer ThreadingUDPServer
基于多进程实现并发的方法:
ForkingMixIn ForkingTCPServer ForkingUDPServer
2.request类(解决通信问题)
BaseRequesHandler StreamRequestHandler DatagramRequestHandler
以下述代码为例,分析socketserver源码:
ftpserver=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),FtpServer) ftpserver.serve_forever()
查找属性的顺序:ThreadingTCPServer->ThreadingMixIn->TCPServer->BaseServer
实例化得到ftpserver,先找类ThreadingTCPServer的__init__,在TCPServer中找到,进而执行server_bind,server_active
找ftpserver下的serve_forever,在BaseServer中找到,进而执行self._handle_request_noblock(),该方法同样是在BaseServer中
执行self._handle_request_noblock()进而执行request, client_address = self.get_request()(就是TCPServer中的self.socket.accept()),然后执行self.process_request(request, client_address)
在ThreadingMixIn中找到process_request,开启多线程应对并发,进而执行process_request_thread,执行self.finish_request(request, client_address)
上述四部分完成了链接循环,本部分开始进入处理通讯部分,在BaseServer中找到finish_request,触发我们自己定义的类的实例化,去找__init__方法,而我们自己定义的类没有该方法,则去它的父类也就是BaseRequestHandler中找....
源码分析总结:
基于tcp的socketserver我们自己定义的类中的
self.server即套接字对象
self.request即一个链接
self.client_address即客户端地址
基于udp的socketserver我们自己定义的类中的
self.request是一个元组(第一个元素是客户端发来的数据,第二部分是服务端的udp套接字对象),如(b'adsf',
self.client_address即客户端地址
练习:
基于socketserver实现并发的TCP套接字
服务端
import socketserver class MyTcphandler(socketserver.BaseRequestHandler): def handle(self): while True: #通信循环 data=self.request.recv(1024) self.request.send(data.upper()) if __name__ == '__main__': #取代链接循环 server=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyTcphandler) server.serve_forever()
客户端
import socket phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) phone.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue phone.send(msg.encode('utf-8')) server_data=phone.recv(1024) print(server_data.decode('utf-8')) phone.close()
基于socketserver实现并发的UDP套接字
服务端
import socketserver class MyUDPhandler(socketserver.BaseRequestHandler): def handle(self): print(self.request) self.request[1].sendto(self.request[0].upper(),self.client_address) if __name__ == '__main__': s=socketserver.ThreadingUDPServer(('127.0.0.1',8080),MyUDPhandler) s.serve_forever()
客户端
from socket import * udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM) while True: msg=input('>>: ').strip() udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080)) data,server_addr=udp_client.recvfrom(1024) print(data.decode('utf-8'))