10.python网络编程（解决粘包问题 part 2）

Posted 2020-09-17

一.什么时候会产生粘包现象。

只有在使用tcp协议的情况下才会产生粘包现象！udp协议永远不会！

发送端可以1k1k的把数据发送出去，接收端，可以2k2k的的去接收数据，一次可能会接收3k，也有可能1次接收6k。

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！！！

其实说的再简单一些。

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。！！

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。

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。

udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对一个一个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

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。

二、细说在tcp通信下产生粘包的两种情况：

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）。

另一种情况，就是，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。

补充说明：为什么说tcp连接可靠？

tcp在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以tcp是可靠的

而udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠。

三、如何解决粘包问题？

我们可以通过自定义报头的方式来解决粘包问题。

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。

说道自定义报头，就不得不提到一个名为struct模块，这个模块的主要作用就是，把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes。（为什么要用这个模块？用这个模块是为了让报头长度固定，当报头长度固定后，就可以分辨出数据流中的报头和真实数据的分界了。）

关于struct模块的详细用法请参考：

http://www.cnblogs.com/coser/archive/2011/12/17/2291160.html

制作报头大概流程演示：

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)

粘包的解决思路：

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struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）

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：

先收报头长度，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。

下面是以python2.7版本作为示范的示例，做一个文件的上传功能，客户端可以将文件发送给服务端。

服务端代码：

#!/usr/bin/python2.7

# -*- coding:utf-8 -*-

import socket

import json

import struct

import os

class Mytcpserver(object):

    sockt_family = socket.AF_INET

    socket_type = socket.SOCK_STREAM

    allow_reuse_addr = False

    max_trans_size = 8192

    coding = ‘utf-8‘

    tcp_queue_size = 5

    upload_dir_name = ‘upload_file‘

    def __init__(self,server_address,bind_and_active = True):

        self.server_address = server_address

        self.socket = socket.socket(self.sockt_family,self.socket_type)

        if bind_and_active:

            try:

                self.server_bind()

                self.server_active()

            except Exception:

                self.server_close()

                raise

    def server_bind(self):

        if self.allow_reuse_addr:

            self.socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

        self.socket.bind(self.server_address)

        self.server_address = self.socket.getsockname() #增加一个没啥卵用的功能,获取刚刚绑定的地址.

    def server_active(self):

        self.socket.listen(self.tcp_queue_size)

    def server_close(self):

        self.socket.close()

    def get_request(self):

        return self.socket.accept()

    def close_request(self):

        return self.socket.close()

    def run(self):

        while True:

            self.conn,self.client_ip = self.get_request()

            print self.client_ip

            while True:

                try:

                    head_struct = self.conn.recv(4)  #用来接收报头

                    if not head_struct:

                        break

                    head_len = struct.unpack(‘i‘,head_struct)[0]   #解析出来的报头长度

                    head_json = self.conn.recv(head_len).decode(self.coding) #接收报头内容

                    head_dict = json.loads(head_json) #将json报头转换为字典

                    print head_dict

                    cmd = head_dict[‘cmd‘]

                    if hasattr(self,cmd):

                        func = getattr(self,cmd)

                        func(head_dict)

                except Exception:

                    break

    def put(self,args):

        upload_file_path = os.path.normpath(os.path.join(self.upload_dir_name,args[‘file_name‘]))

        file_size = args["file_size"]

        recv_size = 0

        print "------>"+upload_file_path

        with open(upload_file_path,‘wb+‘) as f:

            while recv_size < file_size:

                recv_data = self.conn.recv(self.max_trans_size)

                f.write(recv_data)

                recv_size+=len(recv_data)

                print "recvsize:%s filesize:%s" %(recv_size,file_size)

tcp_server_1 = Mytcpserver((‘10.39.0.100‘,8888))

tcp_server_1.run()

客户端代码：

#!/usr/bin/python2.7

# -*- coding:utf-8 -*-

import socket

import json

import struct

import os

class Mytcpclient(object):

    sockt_family = socket.AF_INET

    socket_type = socket.SOCK_STREAM

    allow_reuse_addr = False

    max_trans_size = 8192

    coding = ‘utf-8‘

    tcp_queue_size = 5

    def __init__(self,server_address,connect = True):

        self.server_address = server_address

        self.socket = socket.socket(self.sockt_family,self.socket_type)

        if connect:

            try:

                self.client_connect()

            except:

                self.client_close()

                raise

    def client_connect(self):

        self.socket.connect(self.server_address)

    def client_close(self):

        self.socket.close()

    def run(self):

        while True:

            user_input = raw_input(">>").strip()

            if not user_input:

                continue

            cmd = user_input.split()[0]

            if hasattr(self,cmd):

                func = getattr(self,cmd)

                func(user_input.split())

    def put(self,args):

        cmd = args[0]

        filename = args[1]

        if not os.path.isfile(filename):

            print  "file is not exists!!"

            return None

        else:

            filesize = os.path.getsize(filename)

        head_dic = {‘cmd‘:cmd,‘file_name‘:os.path.basename(filename),‘file_size‘:filesize}

        print head_dic

        head_json = json.dumps(head_dic).encode("utf-8") 

        head_struct_size = struct.pack(‘i‘,len(head_json)).encode("utf-8") #准备发送的报头大小

        self.socket.send(head_struct_size) #发送报头大小

        self.socket.send(head_json) #发送报头

        send_size = 0

        with open(filename,‘rb‘) as f:

            for line in f:

                self.socket.send(line)

                send_size+=len(line)

                print send_size

            else:

                print "file upload success!!"

client = Mytcpclient((‘10.39.0.100‘,8888))

client.run()

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