python语法之socket编程进阶

一. 引入

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通过上一篇博客《python语法之socket初探》，我们已经懂得了一些基本的socket编程规范，本篇博客旨在实现UDP与TCP的两个小例子，时间服务器（ntp）、基于TCP套接字制作远程运行命令；粘包的产生与解决；及其TCP并发问题的解决。

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二. 时间服务器（ntp）

什么是时间服务器？

时间服务器是一种计算机网络仪器，它从参考时钟获取实际时间，再利用计算机网络把时间信息传递给用户。这里通过基于UDP套接字编程来实现ntp。

服务端：

# author:dayin
# Date:2019/7/29 0029
import socket
import time

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
Buffer_size = 1024
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(ip_port)
while True:
    msg, addr = server.recvfrom(Buffer_size)
    print('接收客户端程序【{}:{}】消息=====>>> {}'.format(addr[0], addr[1], msg))
    time_fmt = msg.decode('utf8')
    if not time_fmt:
        time_fmt = '%Y-%m-%d %X'
    try:
        back_msg = time.strftime(time_fmt)
        # 发送时间信息给客户端
        server.sendto(back_msg.encode('utf8'), addr)
    except Exception as e:
        server.sendto('错误输入'.encode('utf8'), addr)
        print(e)
        continue

客户端：

# author:dayin
# Date:2019/7/29 0029
import socket

ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
Buffer_size = 1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
while True:
    msg = input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip()
    client.sendto(msg.encode('utf8'), ip_port)
    back_msg, addr = client.recvfrom(Buffer_size)
    print('当前时间为：', back_msg.decode('utf8'))

运行结果如下图：

客户端：

服务端：

三. 远程运行命令

通过基于TCP套接字编程，实现远程运行在Centos服务端的程序，使其执行一些简单的命令，如 ifconfig pwd 等简单的命令，并将命令结果返回给Windows客户端程序。

服务端：

# author:dayin
import socket
import subprocess

ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
backlog = 5
buffer_size = 1024
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(backlog)
# 链接循环
while True:
    print('====>>>等待客户端连接')
    conn, addr = server.accept()
    # 消息循环
    while True:
        msg = conn.recv(buffer_size)
        print('====>>>收到客户端命令: {}'.format(msg))
        if not msg: break
        # 执行命令，这里使用了subprocess库来执行命令，将正确的命令结果放在 stdout管道中，错误的命令结果放在stderr中
        res = subprocess.Popen(msg.decode('utf8'), shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE,
                               stdin=subprocess.PIPE)
        back_msg = res.stdout.read()
        error_msg = res.stderr.read()
        if error_msg:
            back_msg = error_msg
        # 有的命令没有返回结果，需要判断一下，否则会出现服务端和客户端阻塞.
        if not back_msg:
            back_msg = '命令执行成功!'.encode('utf8')
        conn.send(back_msg)

客户端：

# author:dayin
import socket
ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
buffer_size = 1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)
# 消息循环
while True:
    cmd = input('请输入命令:')
    if not cmd: continue
    if cmd == 'quit': break
    client.send(cmd.encode('utf8'))
    msg = client.recv(buffer_size)
    print('接收到服务端命令结果为:{}'.format(msg.decode('utf8')))

运行结果如下图：

启动服务端，在此之前，最好是关闭防火墙。

启动客户端，并执行 ls pwd ifconfig 命令。

四. 粘包现象

• 粘包现象的产生：
  
  
  由上两图可知，当第一次输入 pwd命令时，命令返回了正确的结果，当输入完 cat /etc/passwd 命令之后，再次输入 pwd 命令时，返回的结果却是上一次 cat /etc/passwd 命令结果的残留，这种现象我们称为粘包。

• 什么是粘包？

  在解释什么是粘包之前，首先需要明白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。总的来说，只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包。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。

• 发生粘包的两种情况：

1. 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），实验如下：

   服务端：

# author:dayin
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：

# author:dayin
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('chendayin'.encode('utf-8'))
s.close()

实验结果如下：

以上可知，发生了粘包现象。

2. 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） 。实验如下：

服务端：

# author:dayin
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(2)  # 一次没有收完整
data2 = conn.recv(10)  # 下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的
print('----->', data1.decode('utf-8'))
print('----->', data2.decode('utf-8'))
conn.close()

客户端：

# author:dayin
import socket

BUFSIZE = 1024
ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
res = s.connect(ip_port)
s.send('hello world'.encode('utf-8'))
s.close()

实验结果如下：

以上可知，发生了粘包现象。

五. 解决粘包方法

• 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。
• 方法1：

服务端：

# author:dayin
import socket
import subprocess

ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
backlog = 5
buffer_size = 1024
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(backlog)
# 链接循环
while True:
    print('====>>>等待客户端连接')
    conn, addr = server.accept()
    # 消息循环
    while True:
        try:
            msg = conn.recv(buffer_size)
            print('====>>>收到客户端命令: {}'.format(msg))
            if not msg: break
            # 执行命令，这里使用了subprocess库来执行命令，将正确的命令结果放在 stdout管道中，错误的命令结果放在stderr中
            res = subprocess.Popen(msg.decode('utf8'), shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE,
                                   stdin=subprocess.PIPE)
            back_msg = res.stdout.read()
            error_msg = res.stderr.read()
            if error_msg:
                back_msg = error_msg
            # 有的命令没有返回结果，需要判断一下，否则会出现服务端和客户端阻塞.
            if not back_msg:
                back_msg = '命令执行成功!'.encode('utf8')
            length = str(len(back_msg))
            conn.send(length.encode('utf8'))
            data = conn.recv(buffer_size)
            if data.decode('utf8') == 'recv_ready':
                conn.sendall(back_msg)
        except Exception as e:
            print(e)
            conn.close()
            break
    conn.close()

客户端：

# author:dayin
import socket

ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
buffer_size = 1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)
# 消息循环
while True:
    cmd = input('请输入命令:')
    if not cmd: continue
    if cmd == 'quit': break
    client.send(cmd.encode('utf8'))
    data_length = client.recv(buffer_size).decode('utf8')
    length = int(data_length)
    client.send('recv_ready'.encode('utf8'))
    data = b''
    recv_size = 0
    while recv_size < length:
        data += client.recv(buffer_size)
        recv_size += len(data)
    print('接收到服务端的命令结果为：{}'.format(data.decode('utf8')))

实验结果如下图所示：

客户端：


服务端：

由上图可知，成功解决了，粘包的问题。不过，这一种方法有局限性，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。

• 方法2：

  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struct将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个字节足够用了）。过程如下：

  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：

  先取报头长度，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：

# author:dayin
import socket
import subprocess
import json
import struct

ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
backlog = 5
buffer_size = 1024
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(backlog)
# 链接循环
while True:
    print('====>>>等待客户端连接')
    conn, addr = server.accept()
    # 消息循环
    while True:
        try:
            msg = conn.recv(buffer_size)
            print('====>>>收到客户端命令: {}'.format(msg))
            if not msg: break
            # 执行命令，这里使用了subprocess库来执行命令，将正确的命令结果放在 stdout管道中，错误的命令结果放在stderr中
            res = subprocess.Popen(msg.decode('utf8'), shell=True, stderr=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE,
                                   stdin=subprocess.PIPE)
            back_msg = res.stdout.read()
            error_msg = res.stderr.read()
            if error_msg:
                back_msg = error_msg
            # 有的命令没有返回结果，需要判断一下，否则会出现服务端和客户端阻塞.
            if not back_msg:
                back_msg = '命令执行成功!'.encode('utf8')

            headers = {
    
    'data_size': len(back_msg)}
            head_json = json.dumps(headers)
            head_json_bytes = head_json.encode('utf8')
            conn.send(struct.pack('i', len(head_json_bytes)))  # 先发报头的长度
            conn.send(head_json_bytes)  # 再发报头
            conn.sendall(back_msg)  # 在发真实的内容


        except Exception as e:
            print(e)
            conn.close()
            break
    conn.close()

客户端：

# author:dayin
import socket
import struct
import json

ip_port = ('192.168.38.132', 8080)
buffer_size = 1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)
# 消息循环
while True:
    cmd = input('请输入命令:')
    if not cmd: continue
    if cmd == 'quit': break
    client.send(cmd.encode('utf8'))
    head = client.recv(4)
    head_json_len = struct.unpack('i', head)[0]
    head_json = json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
    data_len = head_json['data_size']

    data = b''
    recv_size = 0
    while recv_size < data_len:
        data += client.recv(buffer_size)
        recv_size += len(data)
    print('接收到服务端的命令结果为：{}'.format(data.decode('utf8')))

实验运行结果如下：

客户端：

服务端：

以上，两种方法，均可以作为TCP发生粘包现象的解决方法。

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六. TCP并发问题的解决

• 使用socket模块，我们并不能像UDP一样，一个服务端可以同时跟多个客户端进行通信，也就是不具有并发性，如何解决这个问题呢？我们可以使用 socketserver这个模块，实现TCP的并发。

  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）

• 具体实现请看，如下代码：

服务端：

# author:dayin
import socketserver

class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print('conn is ', self.request)  # conn
        print('addr is ', self.client_address)  # addr
        while True:
            try:
                # 收消息
                data = self.request.recv(1024)
                print('收到客户端消息:', data)
                # 发消息
                self.request.sendall(data.upper())
            except Exception as e:
                print(e)
                break


if __name__ == '__main__':
    ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
    s = socketserver.ThreadingTCPServer(ip_port, Myserver)
    s.serve_forever()

客户端：

# author:dayin
import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
while True:
    message = input('>>>请输入发送给服务端消息:')
    if not message: continue
    client.send(message.encode())
    rev_msg = client.recv(1024)
    print('收到服务器消息:{}'.format(rev_msg.decode()))
client.close()

实验结果如下图所示：

第一个客户端：

第二个客户端：

服务端：

以上，实现了TCP的并发。

PS: 实现TCP并发的关键点在于服务端，通过socketserver模块，定义一个类，并且继承自

socketserver.BaseRequestHandler，并重写类中的 handle方法，通过剖析源码，发现该方法，体现了TCP的链接循环，在链接循环内部，再通过一个循环，实现了通信循环。

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end…