网络编程(part9)--socket套接字编程之TCP套接字

鄙人学习笔记

文章目录

套接字介绍
- - 定义
  - 套接字分类(针对TCP和UDP的分类)
- TCP套接字编程
- - 服务端流程
  - 代码实现
  - - 举个例子
  - 客户端流程
  - 代码实现
  - - 举个例子
  - TCP套接字数据传输特点
  - - 做个练习
  - 网络收发缓冲区
  - - 举个例子
  - TCP粘包

套接字介绍

定义

套接字是实现网络编程进行数据传输的一种技术手段

套接字分类(针对TCP和UDP的分类)

①流式套接字(SOCK_STREAM): 以字节流方式(就像是管道中的水流一样)传输数据，实现TCP网络传输方案。

②数据报套接字(SOCK_DGRAM):以数据报形式(就像是用瓶子打包好的水一样)传输数据，实现UDP网络传输方案。

TCP套接字编程

服务端流程

先来看一个流程图：

代码实现

创建套接字

sockfd=socket.socket(socket_family=AF_INET,socket_type=SOCK_STREAM,proto=0)

功能：创建套接字对象
参数：
socket_family  网络地址类型：AF_INET表示ipv4
socket_type  套接字类型：SOCK_STREAM 流式；SOCK_DGRAM 数据报
proto(在应用层网络编程中用不到) 选择子协议：通常为0
返回值： 套接字对象

备注：底层/系统层套接字也针对某种协议，这些协议，有的时候会产生一些分支，也就是子协议。那么为啥在应用层网络编程中用不到proto这个参数呢？因为TCP协议和UDP协议没有子协议，所以参数设为0，即不选择任何子协议。

绑定地址

sockfd.bind(addr)

功能： 绑定本机网络地址(如果不写本机网络地址，则会报错)
参数： 二元元组 (ip,port)  比如('0.0.0.0',8888)

备注：addr为一个元组，这个元组有两个元素一个是网络地址(IP)，一个是端口号(port)。

设置监听

sockfd.listen(n)

功能 ： 将套接字设置为监听套接字，确定监听队列大小
参数 ： 监听队列大小

备注1：并不是所有的套接字都具备监听的功能，即被客户端连接的功能。通过调用listen，我们的套接字对象才能被客户端连接。

备注2：一个服务端套接字对象可以同时连接多个客户端，与客户端进行连接需要进行3次握手，且连接的过程需要一个一个来进行。比如说，同时有5个客户端发起了连接请求，这时我们就会形成一个”先来后到”的队列，对这5个客户端的连接请求，一个一个进行处理。比如说，我们设置监听队列大小为5，表示队列最多容纳5个客户端等待处理。但有10个客户端同时发起了连接请求，这时，服务端会先处理第1个发起请求的那个客户端，前2~6个客户端则在等待队列中，最晚发起请求的4个客户端，则会被拒绝。

等待处理客户端连接请求

connfd,addr = sockfd.accept()

功能： 阻塞等待处理客户端请求(等待客户端连接，啥时候有客户端连接，才结束阻塞)
返回值:connfd ： 客户端连接套接字.客户端连接后，新产生的专门与客户端进行通信的套接字对象。则每当有一个客户端连接时，都会有一个新的专用于连接的套接字对象产生。就像对每个客户端提供一个专属管家一样，提升用户端体验。我们如果找到一个连接套接字，就可以知道它对应的客户端是谁addr ：连接的客户端地址

阻塞函数：当程序运行到这个函数时，则程序暂停执行。程序在等待某种条件，当条件满足后才继续执行，如：input()、sleep()。阻塞函数在IO操作中很常见。

消息收发

data = connfd.recv(buffersize)

功能 : 接受客户端消息
参数 ：每次最多接收消息的大小(最多一次接受多少字节的消息)
返回值： 接收到的内容

n = connfd.send(data)

功能 : 发送消息
参数 ：要发送的内容-bytes格式(字节串格式)
返回值： 发送的字节数

备注1：所有和网络相关的消息传送都得是bytes格式(字节串格式).发送和接收都得是字节串。

备注2：我们发送/接收的是字节串，但平时写/读的是字符串，所以我们需要用encode()/dencode()进行转换。

关闭套接字

sockfd.close()

功能：关闭套接字

举个例子

服务端代码：

import socket#创建流式套接字
sockfd = socket.socket(socket.AF_INET, \socket.SOCK_STREAM)
#绑定地址
sockfd.bind(('127.0.0.1', 8888))#设置监听
sockfd.listen(5)#等待处理客户端链接
print("Waiting for connect....")
connfd, addr = sockfd.accept()#收发消息
data = connfd.recv(1024)
print("接收到的消息:", data.decode())n = connfd.send(b'Receive your message')
print("发送了 %d 个字节数据" % n)#关闭套接字
connfd.close()
sockfd.close()

我们运行一下，得到以下结果：

结果说明，程序阻塞在accept，等待客户端连接。所以这时，我们就要找一个客户端与之连接，下一节，我们就学一下客户端流程。

客户端流程

先看看流程图：

代码实现

创建套接字(和客户端代码相同)
注意:只有相同类型的套接字才能进行通信
请求连接

sockfd.connect(server_addr)

功能：连接服务器
参数：元组  服务器地址

收发消息(和客户端代码相同)
注意：为了防止两端都阻塞，故recv和send要配合使用。比如，服务端是先send后recv，那么客户端则需要先recv后send。否则，若两端同时recv，则两端都会阻塞。
关闭套接字(和客户端代码相同)

举个例子

客户端代码：

服务端代码：

我们想要运行，但是若先运行客户端，则会报错。所以我们要先启动服务端

①运行服务端

查看服务端的控制台Console 2/A输出的结果：

②运行客户端

我们先看一下服务端的控制台Console 2/A输出的结果：

我们再看一下客户端的控制台Console 3/A输出的结果：

消息收发成功了，很好~

TCP套接字数据传输特点

①TCP连接中，当一端退出，另一端如果阻塞在recv，此时recv会立即返回一个空字串。
②TCP连接中，如果一端已经不存在，仍然试图通过send发送信息，则会产生BrokenPipeError
③一个监听套接字可以同时连接多个客户端，也能够重复被连接。

做个练习

要求1：一个客户端退出了，服务器不会退出，而是连接下一个客户端
要求2：客户端可以不停的循环发送消息

服务端代码：

#-*- coding: utf-8 -*-import socket#创建流式套接字
sockfd = socket.socket(socket.AF_INET, \socket.SOCK_STREAM)#绑定地址
sockfd.bind(('127.0.0.1', 8888))#设置监听
sockfd.listen(5)#等待处理客户端链接
while True:print("Waiting for connect....")try:connfd, addr = sockfd.accept()print("Connect from:", addr)except KeyboardInterrupt:print("退出服务")break# 收发消息while True:data = connfd.recv(1024)# 得到空则退出循环if not data:breakprint("接收到的消息:", data.decode())n = connfd.send(b'Receive your message')print("发送了 %d 个字节数据" % n)connfd.close()#关闭套接字
sockfd.close()

客户端代码：

#-*- coding: utf-8 -*-from socket import *#创建tcp套接字
sockfd = socket()#发起连接
server_addr = ('127.0.0.1',8888)
sockfd.connect(server_addr)#收发消息
while True:data = input("消息:")if not data:breaksockfd.send(data.encode())data = sockfd.recv(1024)print("From server:",data.decode())#关闭
sockfd.close()

先运行服务端，再运行客户端并发送消息。

客户端结果：

服务端结果：

网络收发缓冲区

①网络缓冲区有效的协调了消息的收发速度、缓解收发压力。
②send和recv实际是向缓冲区发送接收消息，当缓冲区不为空recv就不会阻塞。

网络缓冲区完成消息传递示意图：

举个例子

还记得我们上面那个练习么？其中一段代码是：

它表示，每次最多可接收消息大小为1024个字节.

我们来更改一下最大可接受的消息字节数为5：

用客户端发送消息：

服务端结果：

客户端结果：

则说明，客户端1次发送，服务端分3次接收了，同时返回给服务端3句’ Receive your message’也就是说，服务端的内层循环(如下图所示)循环了3次

备注1：所以我们一开始说【函数recv()是阻塞函数，当发送方不发消息，就会阻塞】。但其实更准确的来说，并不是发送方不发消息就会阻塞，接收方其实是先从缓冲区去拿消息，当缓冲区为空时，会阻塞，当缓冲区一直有消息时，则会一直获取消息，一直不阻塞。

注意！运行上面的代码时，客户端有时候也会出现以下这种情况：

按照上面的说法，当客户端发送1条消息，客户端会返回3条’ Receive your message’。但是也会出现，当第1条’ Receive your message’进入客户端缓冲区，客户端就从客户端缓冲区recv()了这条消息，导致剩下2条’ Receive your message’停留在缓冲区没被接受。等到下一次，客户端再从缓冲区中recv()时，才把剩下’ Receive your message’接收到。

备注1：我们第一次运行代码时，服务端快速的连续3次send()了1条’ Receive your message’，客户端1次recv()了3条’ Receive your message’。接收端一次接收了多条发送端消息，我们称这种情况叫：粘包。

TCP粘包

原因
TCP以字节流方式传输，没有消息边界。多次发送的消息被一次接收，此时就会形成粘包。
影响(分情况，比如：传一部电影/发送用户名消息)
①如果发送的内容中，每个信息都有独立的含义(比如：发送几个用户姓名)，需要接收端独立解析，此时，这时粘包会有影响。
②如果发送的是一个字节流文件，是一个连在一起的整体(比如：发送一部电影)，接收端无需单独解析，而是将所有接收到内容最终合成一个整体，这时粘包没啥影响。
处理方法
①人为的添加消息边界，比如：每次发送一个姓名时，在姓名后加一个特殊符号。
②控制发送速度(因为粘包的产生是因为收发速度不协调)，比如用sleep()函数调节。