基於TCP協議的socket套接字編程

時間 2019-11-07

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1、什麼是Scoket

Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口後面，對用戶來講，一組簡單的接口就是所有，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。linux

因此，咱們無需深刻理解tcp/udp協議，socket已經爲咱們封裝好了，咱們只須要遵循socket的規定去編程，寫出的程序天然就是遵循tcp/udp標準的。編程

注意：也有人將socket說成ip+port，ip是用來標識互聯網中的一臺主機的位置，而port是用來標識這臺機器上的一個應用程序，ip地址是配置到網卡上的，而port是應用程序開啓的，ip與port的綁定就標識了互聯網中獨一無二的一個應用程序，而程序的pid是同一臺機器上不一樣進程或者線程的標識。

2、套接字發展史及分類

套接字起源於 20 世紀 70 年代加利福尼亞大學伯克利分校版本的 Unix,即人們所說的 BSD Unix。所以,有時人們也把套接字稱爲「伯克利套接字」或「BSD 套接字」。一開始,套接字被設計用在同一臺主機上多個應用程序之間的通信。這也被稱進程間通信,或 IPC。套接字有兩種（或者稱爲有兩個種族）,分別是基於文件型的和基於網絡型的。設計模式

2.1 基於文件類型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX緩存

unix一切皆文件，基於文件的套接字調用的就是底層的文件系統來取數據，兩個套接字進程運行在同一機器，能夠經過訪問同一個文件系統間接完成通訊服務器

2.2 基於網絡類型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INETcookie

(還有AF_INET6被用於ipv6，還有一些其餘的地址家族，不過，他們要麼是隻用於某個平臺，要麼就是已經被廢棄，或者是不多被使用，或者是根本沒有實現，全部地址家族中，AF_INET是使用最普遍的一個，python支持不少種地址家族，可是因爲咱們只關心網絡編程，因此大部分時候我麼只使用AF_INET)網絡

3、套接字工做流程

一個生活中的場景。你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲後提起電話，這時你和你的朋友就創建起了鏈接，就能夠講話了。等交流結束，掛斷電話結束這次交談。生活中的場景就解釋了這工做原理。併發

先從服務器端提及。服務器端先初始化Socket，而後與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端鏈接。在這時若是有個客戶端初始化一個Socket，而後鏈接服務器(connect)，若是鏈接成功，這時客戶端與服務器端的鏈接就創建了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，而後把迴應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最後關閉鏈接，一次交互結束，使用如下Python代碼實現：socket

import socket

# socket_family 能夠是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 能夠是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 通常不填，默認值爲 0
socket.socket(socket_family, socket_type, protocal=0)

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

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

# 因爲 socket 模塊中有太多的屬性。咱們在這裏破例使用了'from module import *'語句。使用 'from socket import *'，咱們就把 socket 模塊裏的全部屬性都帶到咱們的命名空間裏了，這樣能大幅減短咱們的代碼
tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

3.1 服務端套接字函數

方法	用途
s.bind()	綁定(主機,端口號)到套接字
s.listen()	開始TCP監聽
s.accept()	被動接受TCP客戶的鏈接,(阻塞式)等待鏈接的到來

3.2 客戶端套接字函數

方法	用途
s.connect()	主動初始化TCP服務器鏈接
s.connect_ex()	connect()函數的擴展版本,出錯時返回出錯碼,而不是拋出異常

3.3 公共用途的套接字函數

方法	用途
s.recv()	接收TCP數據
s.send()	發送TCP數據(send在待發送數據量大於己端緩存區剩餘空間時,數據丟失,不會發完)
s.sendall()	發送完整的TCP數據(本質就是循環調用send,sendall在待發送數據量大於己端緩存區剩餘空間時,數據不丟失,循環調用send直到發完)
s.recvfrom()	接收UDP數據
s.sendto()	發送UDP數據
s.getpeername()	鏈接到當前套接字的遠端的地址
s.getsockname()	當前套接字的地址
s.getsockopt()	返回指定套接字的參數
s.setsockopt()	設置指定套接字的參數
s.close()	關閉套接字

3.4 面向鎖的套接字方法

方法	用途
s.setblocking()	設置套接字的阻塞與非阻塞模式
s.settimeout()	設置阻塞套接字操做的超時時間
s.gettimeout()	獲得阻塞套接字操做的超時時間

3.5 面向文件的套接字的函數

方法	用途
s.fileno()	套接字的文件描述符
s.makefile()	建立一個與該套接字相關的文件

4、基於TCP協議的套接字編程(簡單)

能夠經過netstat -an | findstr 8080查看套接字狀態

4.1 服務端

import socket

#一、買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp稱爲流式協議,udp稱爲數據報協議SOCK_DGRAM
# print(phone)

#二、插入/綁定手機卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8081))

#三、開機
phone.listen(5)  # 半鏈接池，限制的是請求數

#四、等待電話鏈接
print('start....')
conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手創建的雙向鏈接，（客戶端的ip，端口））
print(conn)
print(client_addr)

#五、通訊：收\發消息
data = conn.recv(1024)  #最大接收的字節數
print('來自客戶端的數據', data)
conn.send(data.upper())

# import time
# time.sleep(500)
#六、掛掉電話鏈接
conn.close()

#七、關機
phone.close()

4.2 客戶端

import socket
# socket.AF
#一、買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print(phone)
#二、撥電話
phone.connect(('127.0.0.1', 8081))  # 指定服務端ip和端口

#三、通訊：發\收消息
phone.send('hello'.encode('utf-8'))
# phone.send(bytes('hello',encoding='utf-8'))
data = phone.recv(1024)
print(data)

# import time
# time.sleep(500)
#四、關閉
phone.close()

5、基於TCP協議的套接字編程(循環)

5.1 服務端

import socket

#一、買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp稱爲流式協議,udp稱爲數據報協議SOCK_DGRAM
# print(phone)

#二、插入/綁定手機卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))

#三、開機
phone.listen(5)  # 半鏈接池，限制的是請求數

#四、等待電話鏈接
print('start....')
while True:  # 鏈接循環
    conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手創建的雙向鏈接，（客戶端的ip，端口））
    # print(conn)
    print('已經有一個鏈接創建成功', client_addr)

    #五、通訊：收\發消息
    while True:  # 通訊循環
        try:
            print('服務端正在收數據...')
            data = conn.recv(1024)  #最大接收的字節數，沒有數據會在原地一直等待收，即發送者發送的數據量必須>0bytes
            # print('===>')
            if len(data) == 0: break  #在客戶端單方面斷開鏈接，服務端纔會出現收空數據的狀況
            print('來自客戶端的數據', data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break
    #六、掛掉電話鏈接
    conn.close()

#七、關機
phone.close()

5.2 客戶端1

import socket

#一、買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#二、撥電話
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服務端ip和端口

#三、通訊：發\收消息
while True:  # 通訊循環
    msg = input('>>: ').strip()  #msg=''
    if len(msg) == 0: continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    # print('has send----->')
    data = phone.recv(1024)
    # print('has recv----->')
    print(data)

#四、關閉
phone.close()

5.3 客戶端2

import socket

#一、買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#二、撥電話
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服務端ip和端口

#三、通訊：發\收消息
while True:  # 通訊循環
    msg = input('>>: ').strip()
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    data = phone.recv(1024)
    print(data)

#四、關閉
phone.close()

6、地址佔用問題

有的同窗在重啓服務端時可能會遇到：

這個是因爲你的服務端仍然存在四次揮手的time_wait狀態在佔用地址（若是不懂，請深刻研究1.tcp三次握手，四次揮手 2.syn洪水攻擊 3.服務器高併發狀況下會有大量的time_wait狀態的優化方法）

6.1 方法一

# 加入一條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))

6.2 方法二(Linux)

發現系統存在大量TIME_WAIT狀態的鏈接，經過調整linux內核參數解決，
vi /etc/sysctl.conf

編輯文件，加入如下內容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
 
而後執行 /sbin/sysctl -p 讓參數生效。
 
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示開啓SYN Cookies。當出現SYN等待隊列溢出時，啓用cookies來處理，可防範少許SYN攻擊，默認爲0，表示關閉；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示開啓重用。容許將TIME-WAIT sockets從新用於新的TCP鏈接，默認爲0，表示關閉；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示開啓TCP鏈接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默認爲0，表示關閉。

net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默認的 TIMEOUT 時間