Python网络编程(day8)

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Python网络编程(day8)

技术小胖子 2017-11-10 23:56:00 浏览744
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一、客户端/服务器架构
1.硬件C/S架构(打印机)
2.软件C/S架构
    互联网中处处是C/S架构,如各个网站是服务端,你的浏览器是客户端(B/S架构也是C/S架构的一种),腾讯作为服务端为你提供视频,你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频)
3.C/S架构与socket的关系:
    我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

二、OSI七层
1、基础简介
    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。
    人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级。
    详见网络通信原理:http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html
2、为何学习socket一定要先学习互联网协议:
    首先:本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程,来开发一款自己的C/S架构软件
    其次:C/S架构的软件(软件属于应用层)是基于网络进行通信的
    然后: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。
    最后:就让我们从这些标准开始研究,开启我们的socket编程之旅

Python网络编程(day8)

三、socket层
    在上图中,我们没有看到Socket的影子,那么它到底在哪里呢?还是用图来说话,一目了然。 

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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,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。
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。

五、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)

    六、套接字工作流程
1、套接字原理
    一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友,先拨号,朋友听到电话铃声后提起电话,这时你和你的朋友就建立起了连接,就可以讲话了。等交流结束,挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理。

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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
2socket()模块函数用法
    import socket
    socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
    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。
    tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 获取tcp/ip套接字
    udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) 获取udp/ip套接字
    注意: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)
1)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
2)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
3)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
4)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
5)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
1、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
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
2socket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
    ip_port=('127.0.0.1',9000)  #电话卡
    BUFSIZE=1024                #收发消息的尺寸
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #初始化socket买手机
    s.bind(ip_port) #绑定IP端口 手机插卡
    s.listen(5)     #监听端口 手机待机

    conn,addr=s.accept()    #调用accept阻塞,等待客户端连接手机接电话
    print('接到来自%s的电话' %addr[0])
    msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话
    print(msg,type(msg))
    conn.send(msg.upper())          #发消息,说话
    conn.close()                    #挂电话
    s.close()                       #手机关机
客户端:
    import socket
    ip_port=('127.0.0.1',9000)
    BUFSIZE=1024
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    s.connect_ex(ip_port)           #拨电话

    s.send('hello nihao'.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)
    feedback=s.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
    print(feedback.decode('utf-8'))
    s.close()                                       #挂电话
3、加上链接循环与通信循环
服务端:
    import socket
    ip_port=('127.0.0.1',8081)#电话卡
    BUFSIZE=1024
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
    s.bind(ip_port) #手机插卡
    s.listen(5)     #手机待机
    while True:                         #新增接收链接循环,可以不停的接电话
            conn,addr=s.accept()            #手机接电话
            print('接到来自%s的电话' %addr[0])
            while True:                         #新增通信循环,可以不断的通信,收发消息
                    msg=conn.recv(BUFSIZE)             #听消息,听话
                    # 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
                    print(msg,type(msg))
                    conn.send(msg.upper())          #发消息,说话
            conn.close()                    #挂电话
    s.close()                       #手机关机
客户端:
    import socket
    ip_port=('127.0.0.1',8081)
    BUFSIZE=1024
    s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM
    s.connect_ex(ip_port)           #拨电话
    while True:                             #新增通信循环,客户端可以不断发收消息
            msg=input('>>: ').strip()
            if len(msg) == 0:continue
            s.send(msg.encode('utf-8'))         #发消息,说话(只能发送字节类型)
            feedback=s.recv(BUFSIZE)                           #收消息,听话
            print(feedback.decode('utf-8'))
    s.close()                                       #挂电话
4、常见问题
问题:有的同学在重启服务端时可能会遇到‘Address already in use’的报错?
原因: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:
1)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))
2)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

八、基于UDP的套接字
1、udp是无链接的,先启动哪一端都不会报错
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
2、udp套接字简单示例
服务端:
    import socket
    ip_port=('127.0.0.1',9000)
    BUFSIZE=1024
    udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
    udp_server_client.bind(ip_port)
    while True:
            msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
            print(msg,addr)
            udp_server_client.sendto(msg.upper(),addr)
客户端:
    import socket
    ip_port=('127.0.0.1',9000)
    BUFSIZE=1024
    udp_server_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
    while True:
            msg=input('>>: ').strip()
            if not msg:continue
            udp_server_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
            back_msg,addr=udp_server_client.recvfrom(BUFSIZE)
            print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

九、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)
    res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
    shell=True,
    stderr=subprocess.PIPE,
    stdout=subprocess.PIPE)
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: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、基于tcp的socket,在运行时会发生粘包
服务端:
    from socket import *
    import subprocess
    ip_port=('127.0.0.1',8080)
    BUFSIZE=1024
    tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    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=act_res.stderr.read()
                    stdout=act_res.stdout.read()
                    conn.send(stderr)
                    conn.send(stdout)
客户端:
    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)
    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='')
2、基于udp的远程执行命令的程序
服务端:
    from socket import *
    import subprocess
    ip_port=('127.0.0.1',9003)
    bufsize=1024
    udp_server=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
    udp_server.bind(ip_port)
    while True:
            cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize) #收消息
            print('用户命令----->',cmd)
            res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess. PIPE,stdout=subprocess.PIPE) #逻辑处理
            stderr=res.stderr.read()
            stdout=res.stdout.read()
            udp_server.sendto(stderr,addr) #发消息
            udp_server.sendto(stdout,addr)
    udp_server.close()
客户端:
    from socket import *
    ip_port=('127.0.0.1',9003)
    bufsize=1024
    udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)
    while True:
            msg=input('>>: ').strip()
            udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)
            data,addr=udp_client.recvfrom(bufsize)
            print(data.decode('utf-8'),end='')

十、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
1、首先需要掌握一个socket收发消息的原理

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36writesendsendsend1socket23xyxyx21socket'127.0.0.1'8080socket51010print'----->''utf-8'print'----->''utf-8'socket1024'127.0.0.1'8080s'hello''utf-8''feng''utf-8'2socket'127.0.0.1'8080socket52#一次没有收完整10#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的print'----->''utf-8'print'----->''utf-8'socket1024'127.0.0.1'8080s'hello feng''utf-8'3410sendrecv1024recv10241024sendsendsocket'127.0.0.1'8080s15whileprint'客户端'while1024ifnotbreak'utf-8'ifelse'utf-8'1024'utf-8'if'recv_ready'sockettimes'127.0.0.1'8080while'>>: 'if0continueif'quit'break'utf-8'lengthint1024'utf-8''recv_ready''utf-8'00''whilelength1024print'utf-8'sendsend1'i'1234,如需转载请自行联系原作者

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