python之套接字编程

一、socket

1、socket是什么？

　　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。

　　应用层打交道的其实是TCP或者UDP协议，因为socket可以当做不存在，因为它只是一个封装的过程，站在协议的角度不属于运输层，所以通常都是基于网络通信的协议都是这两个。

2、套接字发展历史

　　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)

二、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。

　　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
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  流式协议-->tcp协议
			     SOCK_DGRAM.protocol   报式协议-->udp协议
			     一般不填,默认值为 0,也就是流式协议-->tcp协议
"""

# 获取tcp/ip套接字(流式协议)
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

#获取udp/ip套接字(报式协议)
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。
"""
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

三、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：

流程：先运行服务端，发现服务端阻塞在原地，发现是由accept造成的，因为要去半连接池拿东西，但是没有，只能等着，当客户端启动连接送到半连接池立马和服务端建成连接，建成后服务端会打印ip和端口，客户端没有发数据的时候服务端虽然越过了accept，但是没有recv到数据，等到客户端发送数据后，立马收到打印出收到的内容，然后服务端将收到的内容进行大写操作，然后发回给客户端，然后客户端打印出经过服务端处理后的数据，最后客户端关闭回收操作系统资源

注意:accept、recv、send都会造成阻塞

服务端：

import socket

# 买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

# 绑定手机卡
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535,1024以前的都被系统保留使用

# 开机
phone.listen(backlog=5) # 5指的是半连接池的大小
print('服务端启动完成')

# 等待电话连接请求
conn,client_addr = phone.accept() # 执行一次接收一个连接请求
print(conn)
print('客户端的Ip和端口:',client_addr)

# 收消息
data = conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes，收到的是bytes类型,无穷增大没有意义，而且再大不能大过内存的大小，要像水流一样一点一点接收
print('客户端的Ip和端口:',client_addr)
conn.send(data.upper())

"""
关闭电话连接coon
因为accept建立的连接请求占的是python应用程序的内存空间所占
但这个连接请求是操作系统帮我们维护者tcp的双向连接，所以要考虑回收操作系统资源
"""
conn.close()

# 关机(可选操作)
phone.close()

客户端：

import socket

#1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议

#2、拨通服务端电话
phone.connect(('127.0.0.1',8080))

#3、通信
import time
time.sleep(10)
phone.send('hello 噗噗'.encode('utf-8'))
data=phone.recv(1024)
print(data.decode('utf-8'))

#4、关闭连接(必选的回收资源的操作)
phone.close()

加上通信循环

存在Bug:

　　1、send空是没问题的，但是recv空就会造成阻塞

　　无论发和和收都不是在给对方操作，都是发送系统调用从自己的缓存中调用自己的操作，其实都是在自己的缓存当中，由自己的操作系统统一管理，但是最终会到对方，其中送的话是调用从缓存里找，如果没有什么都不干，但是收的话从缓存里找，如果没有会一直等知道缓存当中有数据才会收

　　2、如果把客户端强行终止掉，服务端也会崩掉，而且服务端在不同的系统之下发生的情况也不一样，有两种：

　　　　windows会直接报错：远程主机强迫关闭了一个现有的链接

　　　　unix：会进入死循环

　　因为链接是双向链接，在客户端执行input操作的时候，是有一个链接维持在服务端和客户端之间的，客户端等着输，服务端在正常情况下等着收，但是现在情况下客户端强行终止，而服务端还以为正常情况在连接，所以就会出错。

服务端改进版:

import socket

# 1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议

# 2、绑定手机卡
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535, 1024以前的都被系统保留使用

# 3、开机
phone.listen(5)
print('服务端启动完成，监听地址为:%s:%s' %('127.0.0.1',8080))

# 4、等待电话连接请求：拿到电话连接conn
conn,client_addr=phone.accept()

# 5、通信：收\发消息
while True:
    try:
        data=conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes，收到的是bytes类型
        if len(data) == 0:
            # 在unix系统洗，一旦data收到的是空
            # 意味着是一种异常的行为：客户度非法断开了链接
            break
        print("客户端发来的消息：",data.decode('utf-8'))
        conn.send(data.upper())
    except Exception:
        # 针对windows系统
        break

# 6、关闭电话连接conn（必选的回收资源的操作)
conn.close()

# 7、关机（可选操作）
phone.close()

客户端改进版

import socket

#1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议

#2、拨通服务端电话
phone.connect(('127.0.0.1',8080))

#3、通信
while True:
    msg=input("输入要发送的消息>>>: ").strip() #msg=''
    if len(msg) == 0:continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('======')
    data=phone.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

#4、关闭连接(必选的回收资源的操作)
phone.close()

加上链接循环(解决现有问题)

服务端应该满足的特点：

　　1、一直提供服务

　　2、并发地提供服务

服务端改进版:

import socket

# 1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 流式协议=》tcp协议

# 2、绑定手机卡
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) # 0-65535, 1024以前的都被系统保留使用

# 3、开机
phone.listen(5) # 5指的是半连接池的大小
print('服务端启动完成，监听地址为:%s:%s' %('127.0.0.1',8080))

# 4、等待电话连接请求：拿到电话连接conn
# 加上链接循环
while True:
    conn,client_addr=phone.accept()

    # 5、通信：收\发消息
    while True:
        try:
            data=conn.recv(1024) # 最大接收的数据量为1024Bytes，收到的是bytes类型
            if len(data) == 0:
                # 在unix系统洗，一旦data收到的是空
                # 意味着是一种异常的行为：客户度非法断开了链接
                break
            print("客户端发来的消息：",data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            # 针对windows系统
            break

    # 6、关闭电话连接conn（必选的回收资源的操作)
    conn.close()

# 7、关机（可选操作）这样就没有用了
phone.close()

问题：

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

#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攻击，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

方法三：

　　换端口号，记得客户端和服务端都需要改！

三、基于UDP的套接字

• udp客户端

  import socket
  
  client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # 流式协议=》tcp协议
  
  while True:
      msg=input('>>>: ').strip()
      client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080))
      res=client.recvfrom(1024)
      print(res)
  
  client.close()
  

• udp服务端

  import socket
  
  server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) # 数据报协议=》udp协议
  
  server.bind(('127.0.0.1',8080))
  
  while True:
      data,client_addr=server.recvfrom(1024)
      server.sendto(data.upper(),client_addr)
  
  server.close()