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101 解决粘包问题

时间:2019-09-11 19:49:30      阅读:83      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:href   tle   不能   head   高效   因此   bre   NPU   上传   

一、什么是粘包

粘包问题是所有语言中都会有的问题,因为只要使用了TCP协议,即使是通过socket编程也都会产生的问题。

注意: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。

  • 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。
  • 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。
  • 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。

二、tcp发送数据的四种情况

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端,由于服务端一次读取到的字节数是不确定的,故可能存在以下4种情况。

  1. 服务端分两次读取到了两个独立的数据包,分别是D1和D2,没有粘包和拆包;
  2. 服务端一次接收到了两个数据包,D1和D2粘合在一起,被称为TCP粘包;
  3. 服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容,第二次读取到了D2包的剩余内容,这被称为TCP拆包;
  4. 服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了D1包的部分内容D1_1,第二次读取到了D1包的剩余内容D1_2和D2包的整包。

特例:如果此时服务端TCP接收滑窗非常小,而数据包D1和D2比较大,很有可能会发生第五种可能,即服务端分多次才能将D1和D2包接收完全,期间发生多次拆包。

三、struct模块

使用方法:

技术图片

import struct
#把一个数字打包成固定长度的4字节,得到字节格式数据
obj=struct.pack('i',1024) # 'i'是格式
print(obj)
print(len(obj))

# 解包,得到元祖类型数据
l=struct.unpack('i',obj)[0]
print(l)

四、解决粘包问题

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。

4.1 简单版解决方案

服务器:

import socket
import subprocess
import struct
HOST = "192.168.11.237"
PORT = 8082

soc = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
soc.bind((HOST,PORT))
soc.listen(5)


while 1:
    print("等待连接。。。")
    conn,addr = soc.accept()
    print("连接成功。。。\n")
    while 1:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data)==0:    # 长度0说明断开了连接。在windows中没用,在linux中才有用
                break

            # 把执行正确的内容放到管道中
            obj = subprocess.Popen(str(data, encoding="utf8"), shell=True, stdout=subprocess.PIPE,
                                   stderr=subprocess.PIPE)
            # 执行的结果 b 格式,gbk编码(windows平台)
            suc_data = obj.stdout.read()
            fail_data = obj.stderr.read()
            if suc_data:
                # 1.先打包数据长度,为四个字节,在发过去
                head = struct.pack("i", len(suc_data))
                conn.send(head)  # 作为头信息发过去,字节格式

                # 2.发真正的数据信息
                conn.send(suc_data)

            else:
                # 1.先打包数据长度,为四个字节,在发过去
                head = struct.pack("i", len(fail_data))
                conn.send(head)  # 作为头信息发过去,字节格式

                # 发错误信息
                conn.send(fail_data)

        except:
            print("客户机连接中断。。。")
            break
    conn.close()

soc.close()

客户端:

import socket
import struct
HOST = "192.168.11.237"
PORT = 8082

soc = socket.socket()
soc.connect((HOST,PORT))

while 1:
    try:
        cmd = input("请输入需要执行的命令")
        soc.send(cmd.encode("utf8"))

        # 1.得到数据的头信息并解包
        head = soc.recv(4)
        data_len = struct.unpack("i",head)[0]

        if head == 0:
            break

        # 2.根据头信息,拿到数据长度来接收数据
        str_data = b""
        while data_len:
            if data_len > 1024:
                data = soc.recv(1024)  # 你要接收的数据长度必须等于真实接收到的数据长度才可以停止
                str_data += data
                data_len -= len(data)
            else:
                data = soc.recv(data_len)
                str_data += data
                data_len -= len(data)
                
        print(str_data.decode("gbk"))

    except Exception as a:
        print("服务器关闭了:", a)
        break

# 4.关闭连接
soc.close()

4.1 终极版解决方案(xc版本)

简单版解决方案确实能解决粘包问题,但是如果当要传输的数据太大则就会发生问题。下面给出我的解决方案

服务器:

import socket
import subprocess
import struct
import json

HOST = "192.168.11.24"
PORT = 8080

soc = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
soc.bind((HOST,PORT))
soc.listen(5)

while 1:
    print("等待连接。。。")
    conn,addr = soc.accept()
    print(f"主机{addr}连接成功,准备接收消息中。。。")
    while 1:
        try:
            # 接收命令
            cmd = conn.recv(1024)
            # 处理命令
            obj = subprocess.Popen(cmd.decode("utf8"), shell=True, stdout=subprocess.PIPE,stderr=subprocess.PIPE)
            suc_data =  obj.stdout.read()
            fail_data = obj.stderr.read()
            if suc_data:
                # 1.先构造一个字典,把头信息放到字典中
                head_dic = {"data_size": len(suc_data), "md5":None, "file_name": None}
                # 2.对该字典序列化,得到字符串(json串)
                head_dic_json_byte = (json.dumps(head_dic)).encode("utf8")
                # 3.将 序列化后的字典 长度打包,作为头部
                head = struct.pack("i",len(head_dic_json_byte))

                # 4.先发头部
                conn.send(head)
                # 5.再发 序列化后的字典(字节类型)
                conn.send(head_dic_json_byte)
                # 6.最后再发真正的数据
                conn.send(suc_data)
            else:
                # 1.先构造一个字典,把头信息放到字典中
                head_dic = {"data_size": len(fail_data), "md5": None, "file_name": None}
                # 2.对该字典序列化,得到字符串(json串)
                head_dic_json_byte = (json.dumps(head_dic)).encode("utf8")
                # 3.将 序列化后的字典 长度打包,作为头部(字节类型)
                head = struct.pack("i", len(head_dic_json_byte))

                # 4.先发头部
                conn.send(head)
                # 5.再发 序列化后的字典(字节类型)
                conn.send(head_dic_json_byte)
                # 6.最后再发真正的数据
                conn.send(fail_data)

        except:
            print("客户机连接中断。。。\n")
            break
    conn.close()

soc.close()

客户端

import socket
import struct
import json

HOST = "192.168.11.24"
PORT = 8080

soc = socket.socket()
soc.connect((HOST,PORT))

while 1:
    try:
        cmd = input("请输入需要执行的命令")
        soc.send(cmd.encode("utf8"))

        # 1.先拿到头数据,并解包
        head = soc.recv(4)
        head_dic_len = struct.unpack("i",head)[0]

        if len(head) == 0:  # 服务器关闭了
            break

        # 2.根据头字典长度拿到头字典信息,进行反序列化,拿到头字典
        head_dic_btye = soc.recv(head_dic_len)
        head_dic = json.loads(head_dic_btye)   # json可以直接反序列化bytes类型

        # 3.根据头字典中的数据长度拿到真正的数据
        data_len= head_dic.get("data_size")
        str_data = b""
        while data_len:
            if data_len > 1024:
                data = soc.recv(1024)  # 你要接收的数据长度必须等于真实接收到的数据长度才可以停止
                str_data += data
                data_len -= len(data)
            else:
                data = soc.recv(data_len)
                str_data += data
                data_len -= len(data)

        print(str_data.decode("gbk"))

    except Exception as a:
        print("服务器关闭了:", a)
        break

# 4.关闭连接
soc.close()

101 解决粘包问题

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