python---網絡基礎（socket）

軟件開發的架構

咱們瞭解的涉及到兩個程序之間通信的應用大體能夠分爲兩種：

第一種是應用類：qq、微信、網盤、優酷這一類是屬於須要安裝的桌面應用

第二種是web類：好比百度、知乎、博客園等使用瀏覽器訪問就能夠直接使用的應用

這些應用的本質其實都是兩個程序之間的通信。而這兩個分類又對應了兩個軟件開發的架構～

1.C/S架構

C/S即：Client與Server ，中文意思：客戶端與服務器端架構，這種架構也是從用戶層面（也能夠是物理層面）來劃分的。
這裏的客戶端通常泛指客戶端應用程序EXE，程序須要先安裝後，才能運行在用戶的電腦上，對用戶的電腦操做系統環境依賴較大。

2.B/S架構

B/S即：Browser與Server,中文意思：瀏覽器端與服務器端架構，這種架構是從用戶層面來劃分的。
Browser瀏覽器，其實也是一種Client客戶端，只是這個客戶端不須要你們去安裝什麼應用程序，只需在瀏覽器上經過HTTP請求服務器端相關的資源（網頁資源），客戶端Browser瀏覽器就能進行增刪改查。

網絡基礎

網絡基礎

一個程序如何在網絡上找到另外一個程序？

首先，程序必需要啓動，其次，必須有這臺機器的地址，咱們都知道咱們人的地址大概就是國家省市區街道樓門牌號這樣字。那麼每一臺聯網的機器在網絡上也有本身的地址，它的地址是怎麼表示的呢？
就是使用一串數字來表示的，例如：100.4.5.6
1.什麼是ip地址？

IP地址是指互聯網協議地址（英語：Internet Protocol Address，又譯爲網際協議地址），是IP Address的縮寫。IP地址是IP協議提供的一種統一的地址格式，它爲互聯網上的每個網絡和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差別。

IP地址是一個32位的二進制數，一般被分割爲4個「8位二進制數」（也就是4個字節）。IP地址一般用「點分十進制」表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之間的十進制整數。例：點分十進IP地址（100.4.5.6），其實是32位二進制數（01100100.00000100.00000101.00000110）。

2.什麼是端口

"端口"是英文port的意譯，能夠認爲是設備與外界通信交流的出口。

所以ip地址精確到具體的一臺電腦，而端口精確到具體的程序。

3.osi七層模型

socket概念

socket層

理解socket

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。

其實站在你的角度上看，socket就是一個模塊。咱們經過調用模塊中已經實現的方法創建兩個進程之間的鏈接和通訊。
也有人將socket說成ip+port，由於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。
因此咱們只要確立了ip和port就能找到一個應用程序，而且使用socket模塊來與之通訊。

套接字（socket）的發展史

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。

1.基於文件類型的套接字家族
套接字家族的名字：AF_UNIX
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
2.基於網絡類型的套接字家族
套接字家族的名字：AF_INET

(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)

tcp協議和udp協議

TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向鏈接的協議（eg:打電話）、傳輸效率低全雙工通訊（發送緩存&接收緩存）、面向字節流。使用TCP的應用：Web瀏覽器；電子郵件、文件傳輸程序。
UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、無鏈接的服務，傳輸效率高（發送前時延小），一對1、一對多、多對1、多對多、面向報文，盡最大努力服務，無擁塞控制。使用UDP的應用：域名系統 (DNS)；視頻流；IP語音(VoIP)。

套接字（socket）使用

基於TCP協議的socket

tcp是基於連接的，必須先啓動服務端，而後再啓動客戶端去連接服務端
1.server端

import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址綁定到套接字
sk.listen()          #監聽連接
conn,addr = sk.accept() #接受客戶端連接
ret = conn.recv(1024)  #接收客戶端信息
print(ret)       #打印客戶端信息
conn.send(b'hi')        #向客戶端發送信息
conn.close()       #關閉客戶端套接字
sk.close()        #關閉服務器套接字(可選)

2.客戶端

import socket
sk = socket.socket()           # 建立客戶套接字
sk.connect(('127.0.0.1',8898))    # 嘗試鏈接服務器
sk.send(b'hello!')
ret = sk.recv(1024)         # 對話(發送/接收)
print(ret)
sk.close()            # 關閉客戶套接字

3.解決問題，在重啓服務端時可能會遇到

#加入一條socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址綁定到套接字
sk.listen()          #監聽連接
conn,addr = sk.accept() #接受客戶端連接
ret = conn.recv(1024)   #接收客戶端信息
print(ret)              #打印客戶端信息
conn.send(b'hi')        #向客戶端發送信息
conn.close()       #關閉客戶端套接字
sk.close()        #關閉服務器套接字(可選)

基於UDP協議的socket

udp是無連接的，啓動服務以後能夠直接接受消息，不須要提早創建連接
1.server端

import socket
udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)   #建立一個服務器的套接字
udp_sk.bind(('127.0.0.1',9000))        #綁定服務器套接字
msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024)
print(msg)
udp_sk.sendto(b'hi',addr)                 # 對話(接收與發送)
udp_sk.close()                         # 關閉服務器套接字

2.client端

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
udp_sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
udp_sk.sendto(b'hello',ip_port)
back_msg,addr=udp_sk.recvfrom(1024)
print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

3.例如聊天工具：
server端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
import json
ip_port = ("127.0.0.1",8000)
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
sk.bind(ip_port)


while True:
    qq_msg,addr = sk.recvfrom(1024)
    qq_msg = json.loads(qq_msg.decode("utf-8"))
    # print(qq_msg)
    print("來自{name}的消息,消息是:{msg}".format(name=qq_msg["name"], msg=qq_msg["msg"]))
    info = input(">>>>:")
    data = {
        "name":"server",
        "msg":info
    }
    info = json.dumps(data).encode("utf-8")
    # print(info)
    sk.sendto(info,addr)

client端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
import json
server_addr = ("127.0.0.1",8000)
ck = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

while True:
    msg = input(">>>>>:")
    k = {
        "name":"clinet1",
        "msg":msg
    }
    msg = json.dumps(k).encode("utf-8")
    ck.sendto(msg,server_addr)
    qq_msg, addr = ck.recvfrom(1024)
    qq_msg = json.loads(qq_msg.decode("utf-8"))
    print("來自{name}的消息,消息是:{msg}".format(name=qq_msg["name"],msg=qq_msg["msg"]))

udp是能夠併發的

socket參數的詳解

socket.socket(family=AF_INET,type=SOCK_STREAM,proto=0,fileno=None)

建立socket對象的參數說明：

黏包

TCP協議中的數據傳遞

1.tcp協議的拆包機制
當發送端緩衝區的長度大於網卡的MTU時，tcp會將此次發送的數據拆成幾個數據包發送出去。
MTU是Maximum Transmission Unit的縮寫。意思是網絡上傳送的最大數據包。MTU的單位是字節。 大部分網絡設備的MTU都是1500。若是本機的MTU比網關的MTU大，大的數據包就會被拆開來傳送，這樣會產生不少數據包碎片，增長丟包率，下降網絡速度。
2.面向流的通訊特色和Nagle算法
TCP（transport control protocol，傳輸控制協議）是面向鏈接的，面向流的，提供高可靠性服務。
收發兩端（客戶端和服務器端）都要有一一成對的socket，所以，發送端爲了將多個發往接收端的包，更有效的發到對方，使用了優化方法（Nagle算法），將屢次間隔較小且數據量小的數據，合併成一個大的數據塊，而後進行封包。
這樣，接收端，就難於分辨出來了，必須提供科學的拆包機制。 即面向流的通訊是無消息保護邊界的。
對於空消息：tcp是基於數據流的，因而收發的消息不能爲空，這就須要在客戶端和服務端都添加空消息的處理機制，防止程序卡住，而udp是基於數據報的，即使是你輸入的是空內容（直接回車），也能夠被髮送，udp協議會幫你封裝上消息頭髮送過去。
可靠黏包的tcp協議：tcp的協議數據不會丟，沒有收完包，下次接收，會繼續上次繼續接收，己端老是在收到ack時纔會清除緩衝區內容。數據是可靠的，可是會粘包。

1. 基於tcp協議特色的黏包現象成因

4.socket數據傳輸過程當中的用戶態與內核態說明

發送端能夠是一K一K地發送數據，而接收端的應用程序能夠兩K兩K地提走數據，固然也有可能一次提走3K或6K數據，或者一次只提走幾個字節的數據。
也就是說，應用程序所看到的數據是一個總體，或說是一個流（stream），一條消息有多少字節對應用程序是不可見的，所以TCP協議是面向流的協議，這也是容易出現粘包問題的緣由。
而UDP是面向消息的協議，每一個UDP段都是一條消息，應用程序必須以消息爲單位提取數據，不能一次提取任意字節的數據，這一點和TCP是很不一樣的。
怎樣定義消息呢？能夠認爲對方一次性write/send的數據爲一個消息，須要明白的是當對方send一條信息的時候，不管底層怎樣分段分片，TCP協議層會把構成整條消息的數據段排序完成後才呈如今內核緩衝區。

例如基於tcp的套接字客戶端往服務端上傳文件，發送時文件內容是按照一段一段的字節流發送的，在接收方看了，根本不知道該文件的字節流從何處開始，在何處結束。
此外，發送方引發的粘包是由TCP協議自己形成的，TCP爲提升傳輸效率，發送方每每要收集到足夠多的數據後才發送一個TCP段。若連續幾回須要send的數據都不多，一般TCP會根據優化算法把這些數據合成一個TCP段後一次發送出去，這樣接收方就收到了粘包數據。

UDP不會發生黏包

UDP（user datagram protocol，用戶數據報協議）是無鏈接的，面向消息的，提供高效率服務。 
不會使用塊的合併優化算法，, 因爲UDP支持的是一對多的模式，因此接收端的skbuff(套接字緩衝區）採用了鏈式結構來記錄每個到達的UDP包，在每一個UDP包中就有了消息頭（消息來源地址，端口等信息），這樣，對於接收端來講，就容易進行區分處理了。 即面向消息的通訊是有消息保護邊界的。 
對於空消息：tcp是基於數據流的，因而收發的消息不能爲空，這就須要在客戶端和服務端都添加空消息的處理機制，防止程序卡住，而udp是基於數據報的，即使是你輸入的是空內容（直接回車），也能夠被髮送，udp協議會幫你封裝上消息頭髮送過去。 
不可靠不黏包的udp協議：udp的recvfrom是阻塞的，一個recvfrom(x)必須對惟一一個sendinto(y),收完了x個字節的數據就算完成,如果y;x數據就丟失，這意味着udp根本不會粘包，可是會丟數據，不可靠。

udp和tcp一次發送數據長度的限制：

用UDP協議發送時，用sendto函數最大能發送數據的長度爲：65535- IP頭(20) – UDP頭(8)＝65507字節。用sendto函數發送數據時，若是發送數據長度大於該值，則函數會返回錯誤。（丟棄這個包，不進行發送） 

    用TCP協議發送時，因爲TCP是數據流協議，所以不存在包大小的限制（暫不考慮緩衝區的大小），這是指在用send函數時，數據長度參數不受限制。而實際上，所指定的這段數據並不必定會一次性發送出去，若是這段數據比較長，會被分段發送，若是比較短，可能會等待和下一次數據一塊兒發送。

黏包現象只發生在tcp協議中：
1.從表面上看，黏包問題主要是由於發送方和接收方的緩存機制、tcp協議面向流通訊的特色。
2.實際上，主要仍是由於接收方不知道消息之間的界限，不知道一次性提取多少字節的數據所形成的。

黏包的解決方案

struct模塊
該模塊能夠把一個類型，如數字，轉成固定長度的bytes

import json,struct
#假設經過客戶端上傳1T:1073741824000的文件a.txt

#爲避免粘包,必須自定製報頭
header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T數據,文件路徑和md5值

#爲了該報頭能傳送,須要序列化而且轉爲bytes
head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化並轉成bytes,用於傳輸

#爲了讓客戶端知道報頭的長度,用struck將報頭長度這個數字轉成固定長度:4個字節
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #這4個字節裏只包含了一個數字,該數字是報頭的長度

#客戶端開始發送
conn.send(head_len_bytes) #先發報頭的長度,4個bytes
conn.send(head_bytes) #再發報頭的字節格式
conn.sendall(文件內容) #而後發真實內容的字節格式

#服務端開始接收
head_len_bytes=s.recv(4) #先收報頭4個bytes,獲得報頭長度的字節格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取報頭的長度

head_bytes=s.recv(x) #按照報頭長度x,收取報頭的bytes格式
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取報頭

#最後根據報頭的內容提取真實的數據,好比
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

1.使用struct解決黏包
能夠把報頭作成字典，字典裏包含將要發送的真實數據的詳細信息，而後json序列化，而後用struck將序列化後的數據長度打包成4個字節（4個本身足夠用了）

1.發送

def mysend(self,file_dic):
        bytes_dic = json.dumps(file_dic).encode("utf-8")
        len_dic = struct.pack("i", len(bytes_dic))
        self.request.send(len_dic)
        self.request.send(bytes_dic)

2.接收

def myrecv(self):
        dic_len = self.request.recv(4)
        dic_len = struct.unpack('i', dic_len)[0]
        dic = self.request.recv(dic_len).decode("utf-8")
        dic = json.loads(dic)
        return dic

socket的更多方法

服務端套接字函數
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

客戶端套接字函數
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

公共用途的套接字函數
s.recv()            接收TCP數據
s.send()            發送TCP數據
s.sendall()         發送TCP數據
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

面向鎖的套接字方法
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

面向文件的套接字的函數
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

send和sendall方法:

官方文檔對socket模塊下的socket.send()和socket.sendall()解釋以下：

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()的返回值是發送的字節數量，這個數量值可能小於要發送的string的字節數，也就是說可能沒法發送string中全部的數據。若是有錯誤則會拋出異常。

–

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.

嘗試發送string的全部數據，成功則返回None，失敗則拋出異常。

故，下面兩段代碼是等價的：

#sock.sendall('Hello world\n')

#buffer = 'Hello world\n'
#while buffer:
#    bytes = sock.send(buffer)
#    buffer = buffer[bytes:]

socketserver

1.server端

import socketserver
class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        self.data = self.request.recv(1024).strip()
        print("{} wrote:".format(self.client_address[0]))
        print(self.data)
        self.request.sendall(self.data.upper())

if __name__ == "__main__":
    HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999

    # 設置allow_reuse_address容許服務器重用地址
    socketserver.TCPServer.allow_reuse_address = True
    # 建立一個server, 將服務地址綁定到127.0.0.1:9999
    server = socketserver.TCPServer((HOST, PORT),Myserver)
    # 讓server永遠運行下去，除非強制中止程序
    server.serve_forever()

server端

2.客戶端

import socket

HOST, PORT = "127.0.0.1", 9999
data = "hello"

# 建立一個socket連接，SOCK_STREAM表明使用TCP協議
with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:
    sock.connect((HOST, PORT))          # 連接到客戶端
    sock.sendall(bytes(data + "\n", "utf-8")) # 向服務端發送數據
    received = str(sock.recv(1024), "utf-8")# 從服務端接收數據

print("Sent:     {}".format(data))
print("Received: {}".format(received))