Python之网络编程

一、软件开发的架构

涉及到两个程序之间通讯的应用大致可以分为两种:

第一种是应用类:qq、微信、网盘这一类是属于需要安装的桌面应用

第二种是web类:比如百度、知乎、博客园等使用浏览器访问就可以直接使用的应用

这些应用的本质其实都是两个程序之间的通讯。而这两个分类又对应了两个软件开发的架构:C/S架构和B/S架构

C/S架构

C/S即:Client与Server ,中文意思:客户端与服务器端架构,这种架构也是从用户层面(也可以是物理层面)来划分的。

这里的客户端一般泛指客户端应用程序EXE,程序需要先安装后,才能运行在用户的电脑上,对用户的电脑操作系统环境依赖较大。

B/S架构

B/S即:Browser与Server,中文意思:浏览器端与服务器端架构,这种架构是从用户层面来划分的。

Browser浏览器,其实也是一种Client客户端,只是这个客户端不需要大家去安装什么应用程序,只需在浏览器上通过HTTP请求服务器端相关的资源(网页资源),客户端Browser浏览器就能进行增删改查。

二、网络基础

1.一个程序如何在网络上找到另一个程序?

首先,程序必须要启动,其次,必须有这台机器的地址,我们都知道我们人的地址大概就是国家\省\市\区\街道\楼\门牌号这样字。那么每一台联网的机器在网络上也有自己的地址,

它的地址是怎么表示的呢?就是使用一串数字来表示的,例如:100.4.5.6

IP地址是指互联网协议地址(英语:Internet Protocol Address,又译为网际协议地址),是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式,它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址,以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个“8位二进制数”(也就是4个字节)。IP地址通常用“点分十进制”表示成(a.b.c.d)的形式,其中,a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例:点分十进IP地址(100.4.5.6),实际上是32位二进制数(01100100.00000100.00000101.00000110)。
"端口"是英文port的意译,可以认为是设备与外界通讯交流的出口。

2.osi七层模型

引子

须知一个完整的计算机系统是由硬件、操作系统、应用软件三者组成,具备了这三个条件,一台计算机系统就可以自己跟自己玩了(打个单机游戏,玩个扫雷啥的)

如果你要跟别人一起玩,那你就需要上网了,什么是互联网?

互联网的核心就是由一堆协议组成,协议就是标准,比如全世界人通信的标准是英语,如果把计算机比作人,互联网协议就是计算机界的英语。所有的计算机都学会了互联网协议,那所有的计算机都就可以按照统一的标准去收发信息从而完成通信了。

osi七层模型

人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级:

3.socket概念

socket层

理解socket

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。

其实socket就是一个模块。我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的连接和通信。也有人将socket说成ip+port,因为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。
所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序,并且使用socket模块来与之通信。

4.套接字(socket)的发展史

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.

5.tcp协议和udp协议

TCP(Transmission Control Protocol)可靠的、面向连接的协议(eg:打电话)、传输效率低全双工通信(发送缓存&接收缓存)、面向字节流。使用TCP的应用:Web浏览器;电子邮件、文件传输程序。

UDP(User Datagram Protocol)不可靠的、无连接的服务,传输效率高(发送前时延小),一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文,尽最大努力服务,无拥塞控制。使用UDP的应用:域名系统 (DNS);视频流;IP语音(VoIP)。

我知道说这些你们也不懂,直接上图。

三、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()        #建立一个通信工具,比如打电话时需要买一个手机
sk.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)   # 避免服务重启的时候报address already in use
sk.bind(('192.168.13.35',8080))          #把地址绑定到套接字,sk.bind(('ip','port'))  ip地址和端口
sk.listen()                    #监听链接
conn,addr = sk.accept()   #接受客户端链接
while True:
    ret = conn.recv(1024).decode('utf-8')   #接收客户端信息,每次接受1024字节,用utf-8解码
    if ret == 'bye':
         break
    print(ret)
    info = input('>>>')
    conn.send(bytes(info,encoding='utf-8'))   #向客户端发送信息,必须是bytes类型的,用utf-8编码
conn.close()
sk.close()

client端

import socket
sk = socket.socket()
sk.connect(('192.168.13.96',8080))
while True:
    info = input('>>>')
    sk.send(bytes(info,encoding='utf-8'))
    ret = sk.recv(1024).decode('utf-8')
    print(ret)
    if info == 'bye':
        sk.send(b'bye')
        break
sk.close()

 基于UDP协议的socket

udp是无链接的,先启动哪一端都不会报错

简单应用:

import socket
sk = socket.socket(type = socket.SOCK_DGRAM)      #创建一个服务器的套接字
sk.bind(('127.0.0.1',8080))                     #绑定服务器套接字
msg,addr = sk.recvfrom(1024)
print(msg.decode('utf-8'))
sk.sendto(b'bye',addr)
sk.close()
import socket
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
ip_port = ('127.0.0.1',8080)
sk.sendto(b'hello',ip_port)
ret,addr = sk.recvfrom(1024)
print(ret.decode('utf-8'))
sk.close()

qq聊天

#_*_coding:utf-8_*_
import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)
udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
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)

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

qq_name_dic={
    '金老板':('127.0.0.1',8081),
    '哪吒':('127.0.0.1',8081),
    'egg':('127.0.0.1',8081),
    'yuan':('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,输入q结束和他的聊天: ').strip()
        if msg == 'q':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()

client

时间服务器

# _*_coding:utf-8_*_
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.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
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()

server
#_*_coding:utf-8_*_
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)

client

socket参数的详解

socket.socket(family=AF_INET,type=SOCK_STREAM,proto=0,fileno=None)
创建socket对象的参数说明: 

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。

 四、黏包

黏包现象

让我们基于tcp先制作一个远程执行命令的程序(命令ls -l ; lllllll ; pwd)

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

同时执行多条命令之后,得到的结果很可能只有一部分,在执行其他命令的时候又接收到之前执行的另外一部分结果,这种显现就是黏包。

基于tcp协议实现的黏包

#_*_coding:utf-8_*_
from socket import *
import subprocess

ip_port=('127.0.0.1',8888)
BUFSIZE=1024

tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)

while True:
    conn,addr=tcp_socket_server.accept()
    print('客户端',addr)

    while True:
        cmd=conn.recv(BUFSIZE)
        if len(cmd) == 0:break

        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stdin=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)

        stderr=res.stderr.read()
        stdout=res.stdout.read()
        conn.send(stderr)
        conn.send(stdout)

tcp - server
#_*_coding:utf-8_*_
import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8888)

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(ip_port)

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == 'quit':break

    s.send(msg.encode('utf-8'))
    act_res=s.recv(BUFSIZE)

    print(act_res.decode('utf-8'),end='')

tcp - client

基于udp协议实现的黏包

#_*_coding:utf-8_*_
from socket import *
import subprocess

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

udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
udp_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
udp_server.bind(ip_port)

while True:
    #收消息
    cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
    print('用户命令----->',cmd)

    #逻辑处理
    res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
    stderr=res.stderr.read()
    stdout=res.stdout.read()

    #发消息
    udp_server.sendto(stderr,addr)
    udp_server.sendto(stdout,addr)
udp_server.close()

udp - server
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9000)
bufsize=1024

udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)


while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
    err,addr=udp_client.recvfrom(bufsize)
    out,addr=udp_client.recvfrom(bufsize)
    if err:
        print('error : %s'%err.decode('utf-8'),end='')
    if out:
        print(out.decode('utf-8'), end='')

udp - client

注意:只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包

黏包成因

TCP协议中的数据传递

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。

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。

socket数据传输过程中的用户态与内核态说明

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。
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)

#_*_coding:utf-8_*_
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(5)


conn,addr=tcp_socket_server.accept()


data1=conn.recv(10)
data2=conn.recv(10)

print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))

conn.close()

服务端
#_*_coding:utf-8_*_
import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8080)

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(ip_port)


s.send('hello'.encode('utf-8'))
s.send('feng'.encode('utf-8'))

客户端

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) 

#_*_coding:utf-8_*_
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(5)


conn,addr=tcp_socket_server.accept()


data1=conn.recv(2) #一次没有收完整
data2=conn.recv(10)#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的

print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))

conn.close()

服务端
#_*_coding:utf-8_*_
import socket
BUFSIZE=1024
ip_port=('127.0.0.1',8080)

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(ip_port)


s.send('hello feng'.encode('utf-8'))

客户端

总结

黏包现象只发生在tcp协议中:

1.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。

2.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

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

更多方法
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:]

send和sendall方法

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