网络编程——socket编程

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

一、客户端/服务端架构

  1.硬件C/S架构(打印机)

  2.软件C/S架构 

    互联网企业处处是C/S架构

  C/S架构与socket的关系:学习socket就是为了完成C/S架构的开发

二、OSI七层

  一个完整的计算系统是由硬件、操作系统、应用软件三者组成。(这样就可以自己和自己玩了)

  若想和别人一起玩,那就需要联网了。

  互联网的核心就是一堆协议组成,协议就是标准。例如:全世界官网通信的标准是英语。

  一、人们按照分工不同将互联网协议从逻辑上划分了层次

  详见网络通信原理:http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html 

  二、为何学习socket一定要学习互联网协议

  1、C/S架构的软件(软件属于应用层)是基于网络进行通信的
  2、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。
  3、从这些标准开始研究,开启我们的socket编程之旅

三、socket

  一、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其实就是一种门面模式,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取组织数据,以符合指定的协议。

  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

  二、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。 

  1、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

  2、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)

  三、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

  1、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)

  2、服务端套接字函数

1 s.bind()    绑定(主机,端口号)到套接字
2 s.listen()  开始TCP监听
3 s.accept()  被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来

  3、客户端套接字函数

1 s.connect()     主动初始化TCP服务器连接
2 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

  4、公共用途的套接字函数

 1 s.recv()            接收TCP数据
 2 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)
 3 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)
 4 s.recvfrom()        接收UDP数据
 5 s.sendto()          发送UDP数据
 6 s.getpeername()     连接到当前套接字的远端的地址
 7 s.getsockname()     当前套接字的地址
 8 s.getsockopt()      返回指定套接字的参数
 9 s.setsockopt()      设置指定套接字的参数
10 s.close()           关闭套接字

  5、面向锁的套接字方法

1 s.setblocking()     设置套接字的阻塞与非阻塞模式
2 s.settimeout()      设置阻塞套接字操作的超时时间
3 s.gettimeout()      得到阻塞套接字操作的超时时间

  6、面向文件的套接字函数

1 s.fileno()          套接字的文件描述符
2 s.makefile()        创建一个与该套接字相关的文件

  7、socket实验推演流程

 1 1:用打电话的流程快速描述socket通信
 2 2:服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信
 3 3:客户端发送空,卡主,证明是从哪个位置卡的
 4 服务端:
 5 from socket import *
 6 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 7 phone.bind((\'127.0.0.1\',8081))
 8 phone.listen(5)
 9 
10 conn,addr=phone.accept()
11 while True:
12     data=conn.recv(1024)
13     print(\'server===>\')
14     print(data)
15     conn.send(data.upper())
16 conn.close()
17 phone.close()
18 客户端:
19 from socket import *
20 
21 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
22 phone.connect((\'127.0.0.1\',8081))
23 
24 while True:
25     msg=input(\'>>: \').strip()
26     phone.send(msg.encode(\'utf-8\'))
27     print(\'client====>\')
28     data=phone.recv(1024)
29     print(data)
30 
31 说明卡的原因:缓冲区为空recv就卡住,引出原理图
32 
33 
34 
35 4.演示客户端断开链接,服务端的情况,提供解决方法
36 
37 5.演示服务端不能重复接受链接,而服务器都是正常运行不断来接受客户链接的
38 
39 6:简单演示udp
40 服务端
41 from socket import *
42 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
43 phone.bind((\'127.0.0.1\',8082))
44 while True:
45     msg,addr=phone.recvfrom(1024)
46     phone.sendto(msg.upper(),addr)
47 客户端
48 from socket import *
49 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
50 while True:
51     msg=input(\'>>: \')
52     phone.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),(\'127.0.0.1\',8082))
53     msg,addr=phone.recvfrom(1024)
54     print(msg)
55 
56 udp客户端可以并发演示
57 udp客户端可以输入为空演示,说出recvfrom与recv的区别,暂且不提tcp流和udp报的概念,留到粘包去说
View Code

四 、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

  一、tcp套接字简单实现

  1、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)

  2、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

  二、加上链接循环和通信循环

   1、服务端

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-
 3 # __author__ = "wzs"
 4 #2017/11/4
 5 
 6 import socket
 7 import subprocess
 8 import struct
 9 
10 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
11 
12 phone.bind((\'127.0.0.1\',8090))
13 
14 phone.listen(10)
15 
16 print(\'starting\')
17 
18 # #建立长连接
19 # 等待客户端连接
20 while True:  ##链接循环
21     conn,client_addr = phone.accept()
22     print(client_addr)
23     while True:  # 新增通信循环,可以不断的通信,收发消息
24         msg = conn.recv(1024)  # 听消息,听话
25 
26         # if len(msg) == 0:break        #如果不加,那么正在链接的客户端突然断开,recv便不再阻塞,死循环发生
27 
28         print(msg, type(msg))
29 
30         conn.send(msg.upper())  # 发消息,说话
31 
32     conn.close()
33 
34 phone.close()

  2、客户端

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-
 3 # __author__ = "wzs"
 4 #2017/11/4
 5 
 6 #
 7 import socket
 8 
 9 phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
10 #连接服务端
11 phone.connect((\'127.0.0.1\',8090))
12 while True:
13     #发消息
14     msg = input(\'>>:\').strip()
15     phone.send(msg.encode(\'utf-8\'))
16     #接收消息,指定接收最大的大小
17     data=phone.recv(1024)
18     print(data)
19 # 关机
20 phone.close()

  3、可能遇到的问题  address already in use

  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

  解决办法:

1 #加入一条socket配置,重用ip和端口
2 
3 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
4 phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它,在bind前加
5 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

五、基于UDP的套接字

  UDP是无链接,先启动哪一端都不会错

  一、UDP简介

  1、UDP服务端

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

  2、UDP客户端

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

  二、udp套接字简单示例

  1、UDP服务端

 1 from socket import *
 2 
 3 server = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
 4 server.bind((\'127.0.0.1\',8099))
 5 
 6 # server.listen()  #udp没有监听
 7 # server.accept()  #udp没有连接
 8 # while True: ##链接循环
 9 #     server.accept() #udp没有连接,更不可能有连接循环
10 while True: ##通信循环
11     msg,client_addr = server.recvfrom(1024)
12     print(msg,client_addr)
13     server.sendto(msg.upper(),client_addr)
server.py

  2、UDP客户端

 1 from socket import *
 2 
 3 client = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
 4 # udp没有连接
 5 
 6 while True:
 7     msg = input(\'>>:\').strip() ##发送空不会报错
 8 
 9     client.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),(\'127.0.0.1\',8099))
10 
11     msg,server_addr = client.recvfrom(1024)
12     print(msg)
client.py

  三、应用一: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)

  1、服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = \'Linhaifeng\'
 3 import socket
 4 ip_port=(\'127.0.0.1\',8081)
 5 udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机
 6 udp_server_sock.bind(ip_port)
 7 
 8 while True:
 9     qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)
10     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\')))
11     back_msg=input(\'回复消息: \').strip()
12 
13     udp_server_sock.sendto(back_msg.encode(\'utf-8\'),addr)
server.py

  2、客户端1

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = \'Linhaifeng\'
 3 import socket
 4 BUFSIZE=1024
 5 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 6 
 7 qq_name_dic={
 8     \'狗哥alex\':(\'127.0.0.1\',8081),
 9     \'瞎驴\':(\'127.0.0.1\',8081),
10     \'一棵树\':(\'127.0.0.1\',8081),
11     \'武大郎\':(\'127.0.0.1\',8081),
12 }
13 
14 
15 while True:
16     qq_name=input(\'请选择聊天对象: \').strip()
17     while True:
18         msg=input(\'请输入消息,回车发送: \').strip()
19         if msg == \'quit\':break
20         if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
21         udp_client_socket.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),qq_name_dic[qq_name])
22 
23         back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
24         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\')))
25 
26 udp_client_socket.close()
client1.py

  3、客户端2

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = \'Linhaifeng\'
 3 import socket
 4 BUFSIZE=1024
 5 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
 6 
 7 qq_name_dic={
 8     \'狗哥alex\':(\'127.0.0.1\',8081),
 9     \'瞎驴\':(\'127.0.0.1\',8081),
10     \'一棵树\':(\'127.0.0.1\',8081),
11     \'武大郎\':(\'127.0.0.1\',8081),
12 }
13 
14 
15 while True:
16     qq_name=input(\'请选择聊天对象: \').strip()
17     while True:
18         msg=input(\'请输入消息,回车发送: \').strip()
19         if msg == \'quit\':break
20         if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
21         udp_client_socket.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),qq_name_dic[qq_name])
22 
23         back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)
24         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\')))
25 
26 udp_client_socket.close()
client2.py

  四、应用二:时间服务器(NTP服务)

  1、ntp服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = \'Linhaifeng\'
 3 from socket import *
 4 from time import strftime
 5 
 6 ip_port=(\'127.0.0.1\',9000)
 7 bufsize=1024
 8 
 9 tcp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
10 tcp_server.bind(ip_port)
11 
12 while True:
13     msg,addr=tcp_server.recvfrom(bufsize)
14     print(\'===>\',msg)
15     
16     if not msg:
17         time_fmt=\'%Y-%m-%d %X\'
18     else:
19         time_fmt=msg.decode(\'utf-8\')
20     back_msg=strftime(time_fmt)
21 
22     tcp_server.sendto(back_msg.encode(\'utf-8\'),addr)
23 
24 tcp_server.close()
View Code

  2、ntp客户端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 __author__ = \'Linhaifeng\'
 3 from socket import *
 4 ip_port=(\'127.0.0.1\',9000)
 5 bufsize=1024
 6 
 7 tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
 8 
 9 
10 
11 while True:
12     msg=input(\'请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: \').strip()
13     tcp_client.sendto(msg.encode(\'utf-8\'),ip_port)
14 
15     data=tcp_client.recv(bufsize)
16 
17     print(data.decode(\'utf-8\'))
18 
19 tcp_client.close()
View Code

六、粘包

  一、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

且只能从管道里读一次结果

注意:有些命令既有正确的输出,也有错误的输出。例如:命令ls -l ; lllllll ; pwd 的结果是既有正确stdout结果,又有错误stderr结果

  1、tcp程序:运行tcp程序时,会发生粘包