socket编程

Posted 2020-09-16 关灯吃面

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了socket编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

端口号 0-65535 1024-65535可以自己用

socket.getaddrinfo(url, None)   # 由url得到ip
socket.inet_aton(ip)
socket.inet_ntoa(xx)
inet_aton() -- convert IP addr string (123.45.67.89) to 32-bit packed format     
# 将IP地址字符串（123.45.67.89）打包转换为32位格式
inet_ntoa() -- convert 32-bit packed format IP to string (123.45.67.89)

一客户端/服务器架构

c/s架构

server端要：

1、力求一直提供服务

2、要绑定一个唯一的地址（IP和端口，IP确定唯一一台主机，端口确定主机上的唯一的软件），让客户端能明确找到

二 osi五层

数据链路层：以太网协议，进行数据分组，head部分包含mac地址，有了mac地址在子网内就可以以广播的方式通信

网络层：基于IP协议，arp协议

传输层：tcp、udp协议

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，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

socket另一种解释

五套接字发展史及分类

基于文件类型的套接字家族：套接字家族的名字：AF_UNIX

基于网络类型的套接字家族：套接字家族的名字：AF_INET

六套接字工作流程

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

import socket
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
socket_family 可以是 AF_INET 或 AF_UNIX 
socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM
protocol 一般不填,默认值为 0。

获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

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。
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

七基于TCP的套接字

tcp服务端

ss = socket() #创建服务器套接字
ss.bind()      #把地址绑定到套接字
ss.listen()      #监听链接
inf_loop:      #服务器无限循环
    cs = ss.accept() #接受客户端链接
    comm_loop:         #通讯循环
        cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送)
    cs.close()    #关闭客户端套接字
ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

tcp客户端

 cs = socket()    # 创建客户套接字
 cs.connect()    # 尝试连接服务器
 comm_loop:        # 通讯循环
     cs.send()/cs.recv()    # 对话(发送/接收)
 cs.close()            # 关闭客户套接字

socket通信流程与打电话流程类似，我们就以打电话为例来实现一个low版的套接字通信：

#服务端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) 
#socket.AF_INET 基于网络的套接字，socket.SOCK_STREAM基于TCP协议的套接字　　买手机
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机

conn,addr=phone.accept() #等待电话链接，连接的对象和客户端地址
print(\'电话线路是\',conn)
print(\'客户端的手机号是\',addr)
data=conn.recv(1024) #收消息
conn.send(data.upper())
conn.close() #挂电话
phone.close() #手机关机

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080))

data=phone.recv(1024)
print(data) 
phone.close()

上述流程的问题是，服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，下面是修改版：

#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) #在bind前加，重启释放地址
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #开机，在缓存中可以缓存5个连接请求

print(\'starting....\')
while True: #链接循环
    conn,addr=phone.accept() #等待电话链接
    print(\'电话线路是\',conn)
    print(\'客户端的手机号是\',addr)

    while True: #通信循环
        try: #应对windows系统
            data=conn.recv(1024) #收消息，最大一次接受1024个字节
            #if not data:break #linux系统中，客户端断了链接会date接收空，服务端陷入循环
            print(\'客户端发来的消息是\',data)
            conn.send(data.upper())
        except Exception：#如果客户端断开，跳出通信循环:            
　　　　     break
    conn.close(）#关闭通信
phone.close()#关闭链接

#客户端
import socket
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080))

while True: #通信循环
    msg=input(\'>>: \').strip()
    if not msg:continue
    phone.send(msg.encode(\'utf-8\'))
    data=phone.recv(1024)
    print(data)
phone.close()

问题：

有的同学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

八基于UDP的套接字

udp服务端

 ss = socket()   #创建一个服务器的套接字
 ss.bind()       #绑定服务器套接字
 inf_loop:       #服务器无限循环
     cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)
 ss.close()                         # 关闭服务器套接字

udp客户端

cs = socket()   # 创建客户套接字
comm_loop:      # 通讯循环
    cs.sendto()/cs.recvfrom()   # 对话(发送/接收)
cs.close()                      # 关闭客户套接字

udp套接字简单示例

import socket

udpserver=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
udpserver.bind((\'127.0.0.1\',8080))
#udp中是没有listen（挂起链接），因为udp是无连接的，面向消息的，所以链接循坏也没有了

while True: #通讯循环
    data,client_addr=udpserver.recvfrom(1024)   #收到客户端的数据，IP地址和端口
    print(\'======>\',data.decode(\'utf-8\'))
    print(client_addr)
    # msg=input(\'>>: \')
    udpserver.sendto(data.upper(),client_addr)

服务端

import socket

udpclient=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

server_ip_port=(\'127.0.0.1\',8080)
while True:
    inp=input(">>: ")
    udpclient.sendto(inp.encode(\'utf-8\'),server_ip_port)

    data,server_addr=udpclient.recvfrom(1024)    #接收服务端的发送的数据，服务端的IP地址和端口
    print(data.decode(\'utf-8\'))

客户端

基于udp的socketserver

import socketserver

class FtpServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print(self.request[0])  #收到客户端的消息
        print(self.request[1])  #服务端的套接字对象
        self.request[1].sendto(\'嘎嘎嘎\'.encode(\'utf-8\'),self.client_address)   #向客户端发送消息

if __name__ == \'__main__\':
    obj=socketserver.ThreadingUDPServer((\'127.0.0.1\',8080),FtpServer)
    obj.serve_forever()

服务端

import socket

udpclient=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

server_ip_port=(\'127.0.0.1\',8080)
while True:
    inp=input(">>: ")
    udpclient.sendto(inp.encode(\'utf-8\'),server_ip_port)

    data,server_addr=udpclient.recvfrom(1024)
    print(data.decode(\'utf-8\'))

客户端

qq聊天(由于udp无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信)

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = \'Linhaifeng\'
import socket
ip_port=(\'127.0.0.1\',8081)
udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机
udp_server_sock.bind(ip_port)

while True:
    qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)
    print(\'来自[%s:%s]的一条消息:\\033[1;44m%s\\033[0m\' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode(\'utf-8\')))
    back_msg=input(\'回复消息: \').strip()

    udp_server_sock.sendto(back_msg.encode(\'utf-8\'),addr)

服务端

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = \'Linhaifeng\'
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    \'狗哥alex\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'瞎驴\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'一棵树\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'武大郎\':(\'127.0.0.1\',8081),
}


while True:
    qq_name=input(\'请选择聊天对象: \').strip()
    while True:
        msg=input(\'请输入消息,回车发送: \').strip()
        if msg == \'quit\':break
        if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
        udp_client_socket.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),qq_name_dic[qq_name])

        back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
        print(\'来自[%s:%s]的一条消息:\\033[1;44m%s\\033[0m\' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode(\'utf-8\')))

udp_client_socket.close()

客户端一

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = \'Linhaifeng\'
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    \'狗哥alex\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'瞎驴\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'一棵树\':(\'127.0.0.1\',8081),
    \'武大郎\':(\'127.0.0.1\',8081),
}


while True:
    qq_name=input(\'请选择聊天对象: \').strip()
    while True:
        msg=input(\'请输入消息,回车发送: \').strip()
        if msg == \'quit\':break
        if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
        udp_client_socket.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),qq_name_dic[qq_name])

        back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
        print(\'来自[%s:%s]的一条消息:\\033[1;44m%s\\033[0m\' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode(\'utf-8\')))

udp_client_socket.close()

客户端二

时间服务器

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = \'Linhaifeng\'
from socket import *
from time import strftime

ip_port=(\'127.0.0.1\',9000)
bufsize=1024

tcp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
tcp_server.bind(ip_port)

while True:
    msg,addr=tcp_server.recvfrom(bufsize)
    print(\'===>\',msg)
    
    if not msg:
        time_fmt=\'%Y-%m-%d %X\'
    else:
        time_fmt=msg.decode(\'utf-8\')
    back_msg=strftime(time_fmt)

    tcp_server.sendto(back_msg.encode(\'utf-8\'),addr)

tcp_server.close()

ntp服务端

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = \'Linhaifeng\'
from socket import *
ip_port=(\'127.0.0.1\',9000)
bufsize=1024

tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)



while True:
    msg=input(\'请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: \').strip()
    tcp_client.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),ip_port)

    data=tcp_client.recv(bufsize)

    print(data.decode(\'utf-8\'))

tcp_client.close()

ntp客户端

九 recv与recvfrom的区别

============part1：须知============

收发消息的原理须知晓--->请见十一的图：发消息，都是将数据发送到己端的发送缓冲中，收消息都是从己端的缓冲区中收

1. tcp：send发消息，recv收消息

2. udp：sendto发消息，recvfrom收消息

十粘包现象

让我们基于tcp先制作一个远程执行命令的程序（1：执行错误命令 2：执行ls 3：执行ifconfig）

注意注意注意：

res=subprocess.Popen(cmd.decode(\'utf-8\'),

　　　　　　　　　　　　shell=True,

　　　　　　　　　　　　stderr=subprocess.PIPE,

　　　　　　　　　　　　stdout=subprocess.PIPE)

的结果的编码是以当前所在的系统为准的，如果是windows，那么res.stdout.read()读出的就是GBK编码的，在接收端需要用GBK解码，如果是lunix,那么res.stdout.read()读出的就是UTF-8编码的，且只能从管道里读一次结果。

import socket
import subprocess
ssh=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #建立ssh服务
ssh.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加，重启释放
ssh.bind((\'127.0.0.1\',8080)) #绑定IP和端口地址
ssh.listen(5) #开机，最多允许5个客户端请求在缓存

while True: #链接循环,客户端断开链接后，再次请求链接
    conn,addr=ssh.accept() #等待电话链接
    print(\'电话线路是\', conn)
    print(\'客户端的手机号是\', addr)
    while True: #通信循环
        try: #应对windows系统
            data1=conn.recv(1024).decode("utf-8") #收消息
            if not data1:break   #应对linux系统了，陷入死循环
            res = subprocess.Popen(data1, shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
            right = res.stdout.read()
            error = res.stderr.read()
            if not error:
                conn.send(right)
            elif error:
                conn.send(error)
        except Exception: #如果客户端断开链接，跳出通信循环
            break
    conn.close()#关闭通信
ssh.close()# 关闭链接

ssh远程执行命令服务端

import socket
ssh=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ssh.connect((\'127.0.0.1\',8080))

while True: #通信循环
    msg=input(\'>>: \').strip()
    if not msg:continue
    ssh.send(msg.encode(\'utf-8\'))
    print(\'has send===========>\')
    data=ssh.recv(1024).decode("GBK")
    print(\'has recv===========>\')
    print(data)

ssh.close()

ssh远程执行命令服务端

上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包

十一什么是粘包

须知：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，为何，且听我娓娓道来

首先需要掌握一个socket收发消息的原理

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。定义消息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。

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。
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。

udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对应一个一个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。

两种情况下会发生粘包

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）

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(以上是关于socket编程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
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socket编程

一 客户端/服务器架构

二 osi五层

三 socket层

四 socket是什么

五 套接字发展史及分类

六 套接字工作流程

七 基于TCP的套接字

八 基于UDP的套接字