python全栈开发从入门到放弃之socket网络编程基础

Posted 2020-10-03

网络编程基础

一 客户端/服务器架构

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构

　　互联网中处处是C/S架构

　　如黄色网站是服务端，你的浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种）

　　腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频）

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

为何学习socket一定要先学习互联网协议：

1.首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，来开发一款自己的C/S架构软件

2.其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

3.然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

4.最后：就让我们从这些标准开始研究，开启我们的socket编程之旅

                                                                              

 

 

三 socket层

 

 

四 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。

 

也有人将socket说成ip+port，ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序，ip地址是配置到网卡上的，而port是应用程序开启的，ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序

而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识

五 套接字发展史及分类

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)

六 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

 

 1 import socket
 2 socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
 3 socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。
 4 
 5 获取tcp/ip套接字
 6 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 7 
 8 获取udp/ip套接字
 9 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
10 
11 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。
12 例如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

 以打电话为例子

服务端

import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.bind((‘192.168.20.26‘,8085)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机

print(‘starting...‘)
conn,client_addr=phone.accept() #等电话 （链接，客户的的ip和端口组成的元组）
print(conn,client_addr)

#收，发消息
data=conn.recv(1024)          #收消息
print(‘client data: <%s>‘ %data)  #打印消息
conn.send(data.upper())


conn.close() #挂电话
phone.close() #关机


客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.connect((‘103.47.82.239‘,8085)) #绑定手机卡

#发，收消息
phone.send(‘hello‘.encode(‘utf-8‘))       #发消息
data=phone.recv(1024)                     #收到信息并在本机打印消息
print(‘server back res:<%s>‘ %data)

phone.close()

七 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

客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.connect((‘192.168.20.26‘,8081)) #绑定手机卡

#发，收消息
while True:      #循环
    msg=input(‘>>: ‘).strip()       #用户输入
    if not msg:continue                #如果输入为空则continue
    phone.send(msg.encode(‘utf-8‘))           #发消息
    data=phone.recv(1024)                        #接消息
    print(‘server back res:<%s>‘ %data)      #打印消息

phone.close()                                            #关闭链接


服务端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind((‘192.168.20.26‘,8081)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机

print(‘starting...‘)
while True: #链接循环
    conn,client_addr=phone.accept() #等电话 （链接，客户的的ip和端口组成的元组）
    print(‘-------->‘,conn,client_addr)

    #收，发消息
    while True:#通信循环
        try:
            data=conn.recv(1024)
            if not data:break #针对linux
            print(‘client data: <%s>‘ %data)
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            break
    conn.close() #挂电话
phone.close() #关机

问题：

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：

#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))

方法一

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

方法二

模拟ssh远程执行命令

服务端
import socket
import subprocess
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加   #地址重用的代码
phone.bind((‘192.168.20.26‘,8082)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机

print(‘starting...‘)
while True: #链接循环
    conn,client_addr=phone.accept() #等电话 （链接，客户的的ip和端口组成的元组）
    print(‘-------->‘,conn,client_addr)

    #收，发消息
    while True:#通信循环
        try:
            cmd=conn.recv(1024)           #注意当字节数超过的时候，你打下一条命令时会把上一条命令的结果没打完的打印出来
            if not cmd:break #针对linux
            #执行cmd命令，拿到cmd的结果，结果应该是bytes类型
            #。。。。
            res = subprocess.Popen(cmd.decode(‘utf-8‘), shell=True,        #cmd的结果是bytes类型，进行decode utf-8转换
                                   stdout=subprocess.PIPE,                 #如果正确进入正确的管道
                                   stderr=subprocess.PIPE)                 #命令错误则进入错误的管道
            stdout=res.stdout.read()         #调用正确管道里返回值  
            stderr=res.stderr.read()         #调用错误管道里的返回值

            #发送命令的结果
            conn.send(stdout+stderr)        #并发送给客户端
        except Exception:
            break
    conn.close() #挂电话
phone.close() #关机

客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.connect((‘192.168.20.26‘,8082)) #绑定手机卡

#发，收消息
while True:         #通信循环
    cmd=input(‘>>: ‘).strip()  #输入
    print(cmd)        
    if not cmd:continue                 

    phone.send(cmd.encode(‘utf-8‘))
    cmd_res=phone.recv(1024)          
    print(cmd_res.decode(‘gbk‘))     #在windows中默认是gbk的
phone.close()           #关机