Python 之 网络编程——SOCKET开发

一、预备知识

对于我们，主要掌握5层协议就行。

物理层：
　　转成二进制数序列
数据链路层：

　　形成统一的协议：Internet协议
　　包括数据头（18个字节，前6个字节原地址，中间6个字节为目标地址，后6个字节为数据的描述）和数据
网络层：

　　有IP协议，包括IP头和数据
传输层：
　　包括tcp、UDP两个协议：基于端口（0-65535）的协议
应用层：
　　包括http、ftp协议

 TCP协议：流式协议，先把管道修好
　　　　　　客户端 　　  　　　　　　服务端
　　　　　　　C-------------------------------->S
  　　　　　　　<--------------------------------
　　　　　　发包：
　　　　　　　　C请求，S同意后并我也要挖隧道，C才可以挖隧道到S。（三次握手）
　　　　　　结束发包：
　　　　　　　　C请求，S确认，S请求，C确认（四次挥手）
UDP协议：传输不可靠，但不需要建管道，直接按IP发过去
总结：①TCP传输可靠，但效率低
   　　 ②UDP传输不可靠，但效率高 

二、网络编程SOCKET

语法：

1 socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

 其中：

socket.AF_UNIX：用于本机进程间通讯，为了实现两个进程间的通讯，可以通过创建一个本地的socket来完成（一个机器两个不同的软件）。

socket.AF_INET：我们只关心网络编程，因此大多使用这个（还有socket.AF_INET6被用于ipv6。）

socket.SOCK_STREAM：制动使用面向流的TCP协议。

socket.SOCK_DGRAM：指向UDP协议。

2.1 socket套接字

•  s.recv(1024)接受数据
•  s.send(1024)发送数据
•  s.recvfrom()接收所有数据
•  s.sendall()发送所有数据（本质是循环调用send）
•  s.sendto(信息，(IP地址，端口号))，将发给服务端的消息、(IP地址，端口号)发给服务端。
•  s.close()关闭套接字

一个sendto对应一个recvfrom

2.2 TCP

 

2.2.1 服务端

由上图可知，服务端需要先建立SOCKET链接，首先需要导入socket模块，并链接。

1 import socket
2 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

 之后就需要绑定（主机，端口号）到套接字，开始监听。其中绑定时，IP号和端口号是元组，并且端口号是0-65535，但其中0-1024是给操作系统的，使用需要管理员权限。监听，其中5代表最大链接数量。

s.bind(('127.0.0.1',8080))#0-65535:0-1024给操作系统使用
s.listen(5)

 紧接着，服务器通过一个永久循环来接收来自客户端的连接，accept（）会一直等待，知道客户端发来信息（暂只考虑单线程情况）。

1 while True:#链接循环
2     conn,client_addr=s.accept()

 接下来就是收发消息了，并需要进行通信循环。

1     #收发消息
2     while True:#通信循环
3         try:
4             data=conn.recv(1024) #1024表示接收数据的最大数，单位是bytes
5             print('客户端的数据',data)
6             conn.send(data.upper())
7         except ConnectionResetError:
8             break
9     conn.close()

 接下来就是关闭套接字。

1 s.close()

2.2.2 客户端

首先和服务端一样，需要先建立SOCKET链接，首先需要导入socket模块，并链接。

1 import socket
2 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

 之后通过（主机IP号，端口号）到套接字连接。

1 s.connect(('127.0.0.1',8080))

 之后发收消息，同样有着通信循环，和服务端相比，由于没有等待连接，因此少个链接循环。

1 #发收消息
2 while True:#通信循环
3     msg=input('>>').strip()
4     phone.send(msg.encode('utf-8'))
5     data=phone.recv(1024)
6     print(data.decode('utf-8'))

 接下来就是关闭套接字。

1 s.close()

2.3 UDP协议

相比TCP协议，UDP是面向无连接的协议，因此使用UDP协议时，不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口号，就可以发送数据包，其不管是否发送到达。

和TCP协议类似，也是服务端和客户端。

2.3.1 服务端

服务端需要先建立SOCKET链接，首先需要导入socket模块，并绑定端口。

1 import socket
2 server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
3 server.bind(('127.0.0.1',8080))

其不需要监听和连接，即不需要listen（）和accept（），而是直接接收来自客户端的数据。

1 while True:
2     data,cliend_addr=server.recvfrom(1024)
3     print(data)
4     server.sendto(data.upper(),cliend_addr)

最后关闭套接字。

1 server.close()

2.3.2 客户端

同样，也需要先建立SOCKET链接，首先需要导入socket模块。

1 import socket 
2 client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

但不需要调用connect（），直接通过sendto（）给服务端发数据。

1 while True:
2     msg=input('>>:').strip()
3     data=client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080))
4     data,server_addr=client.recvfrom(1024)
5     print(data,server_addr)

最后关闭套接字。

1 server.close()

2.4 粘包现象及解决方案

2.4.1 粘包现象

　　何为粘包，在上文中，我们一直使用s.recv(1024)来接收数据，但如果需要接收的数据比1024长，那么剩余的数据会在发送端的IO缓冲区暂存下来，等下次接收端来接收数据时，先将缓冲区的数据发送出去，再接收下次的数据。当然，我们可以将1024改为8192，但数据比这个还大呢，我们接收的额定值就不能变大了，还是会发生这样的事件。因此，这样的事件我们称之为粘包现象。当然，粘包现象仅存在于TCP协议中，UDP协议中不存在。

2.4.2 解决方案

　　粘包问题的根源在于，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。此处，我们就需要借助于第三方模块struct。用法为：

 1 import json,struct
 2 #为避免粘包,必须制作固定长度的报头
 3 header_dic={'file_size':1073741824,'file_name':'a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1G文件大小,文件名和md5值
 4 
 5 #为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes,用于传输
 6 header_json = json.dumps(header_dic)  # 转成字符串类型
 7 header_bytes = header_json.encode('utf-8')
 8 
 9 #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
10 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
11 
12 #客户端开始发送报文长度
13 conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes
14 #再发报头的字节格式
15 conn.send(head_bytes) 
16 #然后发真实内容的字节格式
17 conn.sendall(文件内容) 
18 
19 #服务端开始接收
20 head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
21 x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度
22 
23 header_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式
24 header_str=header_bytes.decode('utf-8')
25 header_dic=json.loads(header_str) #提取报头
26 
27 #最后根据报头的内容提取真实的数据,比如数据的长度
28 real_data_len=s.recv(header_dic['file_size'])
29 s.recv(real_data_len)

因此对于一个文件传输：

服务端：

 1 import socket
 2 import os
 3 import struct
 4 import json
 5 share_dir=r'C:\Users\。。。\Desktop\python\oldboypython\day6\10文件传输\服务端\share'
 6 
 7 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 8 # phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
 9 phone.bind(('127.0.0.1',9901)) #0-65535:0-1024给操作系统使用
10 phone.listen(5)
11 print('starting...')
12 while True: # 链接循环
13     conn,client_addr=phone.accept()
14     print(client_addr)
15     while True: #通信循环
16         try:
17             #1、收命令
18             res=conn.recv(8096)#b'get a.txt'
19             if not res:break #适用于linux操作系统
20             #2、解析命令，提取相应的命令参数
21             cmds=res.decode('utf-8').split()#['get','a.txt']
22             filename=cmds[1]
23 
24             #3、以读的方式打开文件，读取文件内容发送给客户端
25             #3.1 制作固定长度的报头
26             header_dic={
27                 'filename':filename,
28                 'md5':'xxdxxx',
29                 'file_size':os.path.getsize('%s/%s'%(share_dir,filename))
30             }
31             header_json=json.dumps(header_dic)#转成字符串类型
32             header_bytes=header_json.encode('utf-8')
33 
34             #3.2 先发送报头的长度
35             conn.send(struct.pack('i',len(header_bytes)))
36 
37             #3.3 再发报头
38             conn.send(header_bytes)
39 
40             #3.4 发真实的数据
41             # conn.send(stdout+stderr) #+是一个可以优化的点
42             with open('%s/%s'%(share_dir,filename),'rb') as f:
43                 # conn.send(f.read())
44                 for line in f:
45                     conn.send(line)
46         except ConnectionResetError: #适用于windows操作系统
47             break
48     conn.close()
49 
50 phone.close()

文件传输服务端

客户端：

 1 import socket
 2 import struct
 3 import json
 4 
 5 download_dir=r'C:\Users\。。。\Desktop\python\oldboypython\day6\10文件传输\客户端\download'
 6 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 7 phone.connect(('127.0.0.1',9901))
 8 while True:
 9     #1、发命令
10     cmd=input('>>: ').strip() #get a.txt
11     if not cmd:continue
12     phone.send(cmd.encode('utf-8'))
13     #2、接收文件的内容，以写的方式打开新文件，接收服务端发来的文件的内容写入客户端的新文件
14     #2.1 先收报头的长度
15     obj=phone.recv(4)
16     header_size=struct.unpack('i',obj)[0]
17     #2.2 在收报头
18     header_bytes=phone.recv(header_size)
19     #2.3 从包头中解析出对真实数据的描述的信息
20     header_json=header_bytes.decode('utf-8')
21     header_dic=json.loads(header_json)
22     print(header_dic)
23     total_size=header_dic['file_size']
24     file_name=header_dic['filename']
25     #2.4 接收数据
26     with open('%s/%s'%(download_dir,file_name),'wb') as f:
27         recv_size=0
28         while recv_size<total_size:
29             line=phone.recv(1024)
30             f.write(line)
31             recv_size+=len(line)
32             print('总大小：%s，已下载大小：%s'%(total_size,recv_size))
33 phone.close()

文件传输客户端