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socket网络编程

时间:2018-05-27 12:21:43      阅读:167      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:udp   服务器端   保护   请求   知识   必须   设计模式   元素   sea   

客户端/服务器架构

  客户端/服务器架构 即C/S架构,包括 1.硬件C/S架构(打印机) 2.软件C/S服务架构  (web服务)生活中也有一些C/S架构,例如:饭店为S端,食客为C端,网站S/端,浏览器C端

 

OSI七层

  1.   互联网协议:计算机界的英语,所有的计算机都学会了互联网协议,那所有的计算机就都能通信了。OSI七层可以划分为物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层,
  2.   物理层:指两台计算机的网卡,通过光缆或者无线电波连接进行一大堆的0和1组合的发送与接收,为了使一大堆的0和1有意义,于是就有了数据链路层
  3.   数据链路层:遵循ethernet以太网协议,负责把数据包一大堆的0和1分组,前面为包头,包头含mac地址,最原始的通信就是由在一个局域网下的源mac地址与目标mac地址进行广播通信,在一个局域网中都可进行广播,这么说来,如果让全世界的电脑都进行mac广播的方式来通信的话,那一台电脑广播,其他的电脑都收的到,那这个数据链路层负担就会很重,于是就有了网络层
  4.   网络层:遵循IP协议,在一个局域网下又开一个局域网,局域网与局域网间的通信靠IP进行,网络层负责计算IP是否在同一局域网,不在就发给网关,在就直接广播 这么说来mac就是可以好比教室哪个位置,而IP就是哪个教室。
  5.   传输层:tcp、udp协议,其建立的是端口与端口间的通信,端口就是应用程序与网卡关联的编号,例如 192.168.1.1:80  就是标识了整个互联网当中唯一一个应用程序  (开头的IP其实隐藏了mac地址)
  6.   应用层:QQ软件。。。。负责监听传输层、规定应用程序的数据格式应用层发数据要封包,然后往外发,且要遵循Tcp、udp协议,于是有了socket层

 

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socket层

  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。

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。

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也有人将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

套接字分类

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。

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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

 import socket
 2 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



 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

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)
复制代码
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

 

 

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

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

 

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

#_*_coding:utf-8_*_
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)
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=‘‘)

 

上述程序是基于tcp的socket,在运行时会发生粘包

 

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

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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

#_*_coding:utf-8_*_

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()

 

客户端

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))

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) 

 

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)

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)

 

自定制报头的服务端

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()

自定制报头客户端

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
复制代码

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

 

认证客户端的链接合法性

如果你想在分布式系统中实现一个简单的客户端链接认证功能,又不像SSL那么复杂,那么利用hmac+加盐的方式来实现

from socket import *import hmac,os

secret_key=blinhaifeng bang bang bang
def conn_auth(conn):
    ‘‘‘
    认证客户端链接
    :param conn:
    :return:
    ‘‘‘
    print(开始验证新链接的合法性)
    msg=os.urandom(32)
    conn.sendall(msg)
    h=hmac.new(secret_key,msg)
    digest=h.digest()
    respone=conn.recv(len(digest))
    return hmac.compare_digest(respone,digest)

def data_handler(conn,bufsize=1024):
    if not conn_auth(conn):
        print(该链接不合法,关闭)
        conn.close()
        return
    print(链接合法,开始通信)
    while True:
        data=conn.recv(bufsize)
        if not data:break
        conn.sendall(data.upper())

def server_handler(ip_port,bufsize,backlog=5):
    ‘‘‘
    只处理链接
    :param ip_port:
    :return:
    ‘‘‘
    tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcp_socket_server.bind(ip_port)
    tcp_socket_server.listen(backlog)
    while True:
        conn,addr=tcp_socket_server.accept()
        print(新连接[%s:%s] %(addr[0],addr[1]))
        data_handler(conn,bufsize)

if __name__ == __main__:
    ip_port=(127.0.0.1,9999)
    bufsize=1024
    server_handler(ip_port,bufsize)

 

客户端合法

from socket import *
import hmac,os

secret_key=blinhaifeng bang bang bang
def conn_auth(conn):
    ‘‘‘
    验证客户端到服务器的链接
    :param conn:
    :return:
    ‘‘‘
    msg=conn.recv(32)
    h=hmac.new(secret_key,msg)
    digest=h.digest()
    conn.sendall(digest)

def client_handler(ip_port,bufsize=1024):
    tcp_socket_client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcp_socket_client.connect(ip_port)

    conn_auth(tcp_socket_client)

    while True:
        data=input(>>: ).strip()
        if not data:continue
        if data == quit:break

        tcp_socket_client.sendall(data.encode(utf-8))
        respone=tcp_socket_client.recv(bufsize)
        print(respone.decode(utf-8))
    tcp_socket_client.close()

if __name__ == __main__:
    ip_port=(127.0.0.1,9999)
    bufsize=1024
    client_handler(ip_port,bufsize)


 

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:server类(解决链接问题)和request类(解决通信问题)

server类:

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request类:

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继承关系:

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 技术分享图片

 

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

  1. 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
  2. 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
  3. 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)
  4. 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)
  5. 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

  1.   self.server即套接字对象
  2.   self.request即一个链接
  3.   self.client_address即客户端地址

基于udp的socketserver我们自己定义的类中的

  1.   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‘, <socket.socket fd=200, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.1‘, 8080)>)
  2.   self.client_address即客户端地址

socket网络编程

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原文地址:https://www.cnblogs.com/echoboy/p/9095166.html

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