一  socket 套接字

二  粘包问题

一  socket 套接字

1.2 socket层

在上图中，我们没有看到Socket,我们用下图来继续说明.

1.3 socket是什么

Socket是应用层与TCP/IP协议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。

1.4  套接字发展史及分类

1.5 套接字工作流程

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理。

图3

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

socket()模块函数用法

 1 import socket2 socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)3 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。4 5 获取tcp/ip套接字6 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)7 8 获取udp/ip套接字9 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
10
11 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。
12 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

 读者勿看：socket实验推演流程

1.6 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

tcp服务端

1 ss = socket() #创建服务器套接字
2 ss.bind()      #把地址绑定到套接字
3 ss.listen()      #监听链接
4 inf_loop:      #服务器无限循环
5     cs = ss.accept() #接受客户端链接
6     comm_loop:         #通讯循环
7         cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)
8     cs.close()    #关闭客户端套接字
9 ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

tcp客户端

1 cs = socket()    # 创建客户套接字
2 cs.connect()    # 尝试连接服务器
3 comm_loop:        # 通讯循环
4     cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)
5 cs.close()            # 关闭客户套接字

socket通信流程与打电话流程类似，我们就以打电话为例来实现一个low版的套接字通信

 服务端

 客户端

加上链接循环与通信循环

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Linhaifeng'
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:                         #新增接收链接循环,可以不停的接电话conn,addr=s.accept()            #手机接电话# print(conn)# print(addr)print('接到来自%s的电话' %addr[0])while True:                         #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话# 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print(msg,type(msg))conn.send(msg.upper())          #发消息,说话conn.close()                    #挂电话s.close()                       #手机关机

 客户端改进版

问题：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洪水攻击 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

 方法二

udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错

udp服务端

1 ss = socket()   #创建一个服务器的套接字
2 ss.bind()       #绑定服务器套接字
3 inf_loop:       #服务器无限循环
4     cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)
5 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

udp套接字简单示例

 udp服务端

 udp客户端

qq聊天(由于udp无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信)

 udp服务端

 udp客户端1

 udp客户端2

服务端运行结果

客户端1运行结果

客户端2运行结果

时间服务器

 ntp服务端

 ntp客户端

九 粘包现象

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

 服务端

 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

 服务端

 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

十 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）

 服务端

 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）

 服务端

 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

十一 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

 服务端

 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

十二 峰哥解决粘包的方法

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 #这个是范围

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)

 关于struct的详细用法

 服务端（自定制报头）

 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

 服务端：定制稍微复杂一点的报头

 客户端

FTP作业：上传下载文件

 服务端

import socket
import struct
import json
import osclass MYTCPClient:address_family = socket.AF_INETsocket_type = socket.SOCK_STREAMallow_reuse_address = Falsemax_packet_size = 8192coding='utf-8'request_queue_size = 5def __init__(self, server_address, connect=True):self.server_address=server_addressself.socket = socket.socket(self.address_family,self.socket_type)if connect:try:self.client_connect()except:self.client_close()raisedef client_connect(self):self.socket.connect(self.server_address)def client_close(self):self.socket.close()def run(self):while True:inp=input(">>: ").strip()if not inp:continuel=inp.split()cmd=l[0]if hasattr(self,cmd):func=getattr(self,cmd)func(l)def put(self,args):cmd=args[0]filename=args[1]if not os.path.isfile(filename):print('file:%s is not exists' %filename)returnelse:filesize=os.path.getsize(filename)head_dic={'cmd':cmd,'filename':os.path.basename(filename),'filesize':filesize}print(head_dic)head_json=json.dumps(head_dic)head_json_bytes=bytes(head_json,encoding=self.coding)head_struct=struct.pack('i',len(head_json_bytes))self.socket.send(head_struct)self.socket.send(head_json_bytes)send_size=0with open(filename,'rb') as f:for line in f:self.socket.send(line)send_size+=len(line)print(send_size)else:print('upload successful')client=MYTCPClient(('127.0.0.1',8080))client.run()

Socket(套接字)

127.0.0.1本机回还地址
只能自己识别自己 其他人无法访问

send与recv对应
不要出现两边都是相同的情况

recv是跟内存要数据
至于数据的来源 你无需考虑

TCP特点
会将数据量比较小的并且时间间隔比较短的数据
一次性打包发送给对方

socket最简单版本

解决粘包问题的最复杂版本

from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加

解决粘包问题
服务端
1.先制作一个发送给客户端的字典
2.制作字典的报头
3.发送字典的报头
4.发送字典
5.再发真实数据

客户端
1.先接受字典的报头
2.解析拿到字典的数据长度
3.接受字典
4.从字典中获取真实数据的长度
5.接受真实数据

写一个上传电影的功能
1.循环打印某一个文件夹下面的所有的文件
2.用户选取想要上传的文件
3.将用户选择的文件上传到服务端
4.服务端保存该文件

1.直接获取数据1024
2.制作一个数据的报头
3.先发个字典 然后再发真实数据