Python 之网络编程基础

套接字（socket）初使用

基于TCP协议的socket

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

server端

import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  # 把地址绑定到套接字
sk.listen()                  # 监听链接
conn,addr = sk.accept()      # 接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)        # 接收客户端信息
print(ret)                   # 打印客户端信息
conn.send(b'hi')             # 向客户端发送信息
conn.close()                 # 关闭客户端套接字
sk.close()                   # 关闭服务器套接字(可选)

client端

import socket
sk = socket.socket()           # 创建客户套接字
sk.connect(('127.0.0.1',8898)) # 尝试连接服务器
sk.send(b'hello!')
ret = sk.recv(1024)            # 对话(发送/接收)
print(ret)
sk.close()                     # 关闭客户套接字

问题：有的同学在重启服务端时可能会遇到端口已被占用

# 加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) # 就是它，在bind前加
sk.bind(('127.0.0.1',8898))              # 把地址绑定到套接字
sk.listen()             # 监听链接
conn,addr = sk.accept() # 接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)   # 接收客户端信息
print(ret)              # 打印客户端信息
conn.send(b'hi')        # 向客户端发送信息
conn.close()            # 关闭客户端套接字
sk.close()              # 关闭服务器套接字(可选)

基于UDP协议的socket

udp是无链接的，启动服务之后可以直接接受消息，不需要提前建立链接

server端

import socket
udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) # 创建一个服务器的套接字
udp_sk.bind(('127.0.0.1',9000))                # 绑定服务器套接字
msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024)
print(msg)
udp_sk.sendto(b'hi',addr)              # 对话(接收与发送)
udp_sk.close()                         # 关闭服务器套接字

client端

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
udp_sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
udp_sk.sendto(b'hello',ip_port)
back_msg,addr=udp_sk.recvfrom(1024)
print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

socket参数的详解

socket.socket(family=AF_INET,type=SOCK_STREAM,proto=0,fileno=None)

参数说明：

family	地址系列应为AF_INET(默认值),AF_INET6,AF_UNIX,AF_CAN或AF_RDS。 （AF_UNIX 域实际上是使用本地 socket 文件来通信）
type	套接字类型应为SOCK_STREAM(默认值),SOCK_DGRAM,SOCK_RAW或其他SOCK_常量之一。 SOCK_STREAM 是基于TCP的，有保障的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的SOCKET，多用于资料传送。 SOCK_DGRAM 是基于UDP的，无保障的面向消息的socket，多用于在网络上发广播信息。
proto	协议号通常为零,可以省略,或者在地址族为AF_CAN的情况下,协议应为CAN_RAW或CAN_BCM之一。
fileno	如果指定了fileno,则其他参数将被忽略,导致带有指定文件描述符的套接字返回。 与socket.fromfd()不同,fileno将返回相同的套接字,而不是重复的。 这可能有助于使用socket.close()关闭一个独立的插座。

黏包成因

TCP协议中的数据传递

1.tcp协议的拆包机制

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。MTU是Maximum Transmission Unit的缩写。意思是网络上传送的最大数据包。MTU的单位是字节。 大部分网络设备的MTU都是1500。如果本机的MTU比网关的MTU大，大的数据包就会被拆开来传送，这样会产生很多数据包碎片，增加丢包率，降低网络速度。

2.面向流的通信特点和Nagle算法

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。

对于空消息：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），也可以被发送，udp协议会帮你封装上消息头发送过去。

可靠黏包的tcp协议：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。

基于tcp协议特点的黏包现象成因 

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。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。

UDP不会发生黏包

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。

对于空消息：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），也可以被发送，udp协议会帮你封装上消息头发送过去。

不可靠不黏包的udp协议：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。

补充说明: 用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) – UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误。（丢弃这个包，不进行发送） 用TCP协议发送时，由于TCP是数据流协议，因此不存在包大小的限制（暂不考虑缓冲区的大小），这是指在用send函数时，数据长度参数不受限制。而实际上，所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去，如果这段数据比较长，会被分段发送，如果比较短，可能会等待和下一次数据一起发送。

会发生黏包的两种情况

情况一 发送方的缓存机制

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）

情况二 接收方的缓存机制

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）

总结

黏包现象只发生在tcp协议中：

• 从表面上看，黏包问题主要是因为发送方和接收方的缓存机制、tcp协议面向流通信的特点。
• 实际上，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

黏包的解决方案

解决方案一

事先告诉对方要接受的大小，然后sleep

存在的问题： 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

解决方案进阶

我们可以借助一个模块，这个模块可以把要发送的数据长度转换成固定长度的字节。这样客户端每次接收消息之前只要先接受这个固定长度字节的内容看一看接下来要接收的信息大小，那么最终接受的数据只要达到这个值就停止，就能刚好不多不少的接收完整的数据了。

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)
struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 # 数太大了，所以报错

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)

#_*_coding:utf-8_*_
#http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html
__author__ = 'Linhaifeng'
import struct
import binascii
import ctypes

values1 = (1, 'abc'.encode('utf-8'), 2.7)
values2 = ('defg'.encode('utf-8'),101)
s1 = struct.Struct('I3sf')
s2 = struct.Struct('4sI')

print(s1.size,s2.size)
prebuffer=ctypes.create_string_buffer(s1.size+s2.size)
print('Before : ',binascii.hexlify(prebuffer))
# t=binascii.hexlify('asdfaf'.encode('utf-8'))
# print(t)


s1.pack_into(prebuffer,0,*values1)
s2.pack_into(prebuffer,s1.size,*values2)

print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s1.unpack_from(prebuffer,0))
print(s2.unpack_from(prebuffer,s1.size))

s3=struct.Struct('ii')
s3.pack_into(prebuffer,0,123,123)
print('After pack',binascii.hexlify(prebuffer))
print(s3.unpack_from(prebuffer,0))

 使用struct解决黏包

借助struct模块，我们知道长度数字可以被转换成一个标准大小的4字节数字。因此可以利用这个特点来预先发送数据长度。

发送时	接收时
先发送struct转换好的数据长度4字节	先接受4个字节使用struct转换成数字来获取要接收的数据长度
再发送数据	再按照长度接收数据

# 服务器端
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()

# 客户端
# _*_coding:utf-8_*_
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)
    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

我们还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个字节足够用了）

发送时	接收时
先发报头长度	先收报头长度，用struct取出来
再编码报头内容然后发送	根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化
最后发真实内容	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

# 服务器端
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()

        headers={'data_size':len(back_msg)}
        head_json=json.dumps(headers)
        head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')

        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

    conn.close()

# 客户端
from socket import *
import struct,json

ip_port=('127.0.0.1',8080)
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while True:
    cmd=input('>>: ')
    if not cmd:continue
    client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))

    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']

    recv_size=0
    recv_data=b''
    while recv_size < data_len:
        recv_data+=client.recv(1024)
        recv_size+=len(recv_data)

    print(recv_data.decode('utf-8'))
    #print(recv_data.decode('gbk'))  # windows默认gbk编码

socket的更多方法介绍

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
s.sendall()      # 发送TCP数据
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

官方文档对socket模块下的socket.send()和socket.sendall()解释如下：

socket.send(string[, flags])
Send data to the socket. The socket must be connected to a remote socket. The optional flags argument has the same meaning as for recv() above. Returns the number of bytes sent. Applications are responsible for checking that all data has been sent; if only some of the data was transmitted, the application needs to attempt delivery of the remaining data.
send()的返回值是发送的字节数量，这个数量值可能小于要发送的string的字节数，也就是说可能无法发送string中所有的数据。如果有错误则会抛出异常。


socket.sendall(string[, flags])
Send data to the socket. The socket must be connected to a remote socket. The optional flags argument has the same meaning as for recv() above. Unlike send(), this method continues to send data from string until either all data has been sent or an error occurs. None is returned on success. On error, an exception is raised, and there is no way to determine how much data, if any, was successfully sent.
尝试发送string的所有数据，成功则返回None，失败则抛出异常。

故，下面两段代码是等价的：
# sock.sendall('Hello world\n')
# buffer = 'Hello world\n'
# while buffer:
#     bytes = sock.send(buffer)
#     buffer = buffer[bytes:]

八.socketserver

# 固定格式，代码在handle中写，服务器端
import socketserver
class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        self.data = self.request.recv(1024).strip()
        print("{} wrote:".format(self.client_address[0]))
        print(self.data)
        self.request.sendall(self.data.upper())

if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999

    # 设置allow_reuse_address允许服务器重用地址
    socketserver.TCPServer.allow_reuse_address = True
    # 创建一个server, 将服务地址绑定到127.0.0.1:9999
    server = socketserver.TCPServer((HOST, PORT),Myserver)
    # 让server永远运行下去，除非强制停止程序
    server.serve_forever()

# 客户端
import socket

HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999
data = "hello"

# 创建一个socket链接，SOCK_STREAM代表使用TCP协议
with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:
    sock.connect((HOST, PORT))          # 链接到客户端
    sock.sendall(bytes(data + "\n", "utf-8")) # 向服务端发送数据
    received = str(sock.recv(1024), "utf-8")# 从服务端接收数据

print("Sent:     {}".format(data))
print("Received: {}".format(received))