网络编程----socket介绍、基于tcp协议的套接字实现、基于udp协议的套接字实现

2022-10-03 13:23:28

一、客户端/服务器架构（C/S架构）

即C/S架构，包括：

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构(web服务)

美好的愿望：

最常用的软件服务器是 Web 服务器。一台机器里放一些网页或 Web 应用程序,然后启动服务。这样的服务器的任务就是接受客户的请求,把网页发给客户(如用户计算机上的浏览器),然后等待下一个客户请求。这些服务启动后的目标就是“永远运行下去”。虽然它们不可能实现这样的目标,但只要没有关机或硬件出错等外力干扰,它们就能运行非常长的一段时间。

生活中的C/S架构：

老男孩是S端，所有的学员是C端

饭店是S端，所有的食客是C端

互联网中处处是C/S架构（黄色网站是服务端，你的浏览器是客户端；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狗日的视频）

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

为何学习socket一定要先学习互联网协议：

1.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

2.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

3.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。

4.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

三、socket层

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。

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

扫盲

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。

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)

六、套接字工作流程

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，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

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

socket()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。

 获取tcp/ip套接字

 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

 获取udp/ip套接字

 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

 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)

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(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

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

 1：用打电话的流程快速描述socket通信

 2：服务端和客户端加上基于一次链接的循环通信

 3：客户端发送空，卡主，证明是从哪个位置卡的

 服务端：

 from socket import *

 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

 phone.bind(('127.0.0.1',8081))

 phone.listen(5)

 conn,addr=phone.accept()

 while True:

     data=conn.recv(1024)

     print('server===>')

     print(data)

     conn.send(data.upper())

 conn.close()

 phone.close()

 客户端：

 from socket import *

 phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

 phone.connect(('127.0.0.1',8081))

 while True:

     msg=input('>>: ').strip()

     phone.send(msg.encode('utf-8'))

     print('client====>')

     data=phone.recv(1024)

     print(data)

 说明卡的原因：缓冲区为空recv就卡住，引出原理图

 4.演示客户端断开链接，服务端的情况，提供解决方法

 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

 6:简单演示udp

 服务端

 from socket import *

 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

 phone.bind(('127.0.0.1',8082))

 while True:

     msg,addr=phone.recvfrom(1024)

     phone.sendto(msg.upper(),addr)

 客户端

 from socket import *

 phone=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

 while True:

     msg=input('>>: ')

     phone.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8082))

     msg,addr=phone.recvfrom(1024)

     print(msg)

 udp客户端可以并发演示

 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

 读者勿看：socket实验推演流程

socket实验推演流程

七、基于tcp协议的套接字实现

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

socket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

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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) #买手机

 s.bind(ip_port) #手机插卡

 s.listen(5)     #手机待机

 conn,addr=s.accept()            #手机接电话

 # print(conn)

 # print(addr)

 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

 服务端

服务端

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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('linhaifeng nb'.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

 客户端

客户端

上述流程的问题是，服务端只能接受一次链接，然后就彻底关闭掉了，实际情况应该是，服务端不断接受链接，然后循环通信，通信完毕后只关闭链接，服务器能够继续接收下一次链接，下面是修改版

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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(conn)

     # print(addr)

     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

 服务端改进版

服务端改进版

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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

 客户端改进版

客户端改进版

 import socket

 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机

 phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加

 phone.bind(('127.0.0.6',8080)) #绑定手机卡    服务端的IP地址和端口号

 phone.listen(5)   #开机      # 5可以接入的客户端数量

 print('starting....')

 while True: #链接循环

     conn,addr=phone.accept() #等待电话链接

     print('电话线路是',conn)

     print('客户端的手机号是',addr)

     while True: #通信循环

         try: #应对windows系统

             data=conn.recv(1024)      #收消息       # 1024是接收的最大字节（其实要根据本机的内存大小来，太大没意义）

             if not data:break #linux系统

             print('客户端发来的消息是',data)

             conn.send(data.upper())

         except Exception:

             break

     conn.close()

 phone.close()

服务端改进版2（异常处理）

 import socket

 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

 phone.connect(('127.0.0.6',8080))

 while True: #通信循环

     msg=input('>>: ').strip()

     if not msg:continue

     phone.send(msg.encode('utf-8'))     #客户端发送文件，编码格式为utf-8

     # print('has send===========>')     #测试程序是否运行到此,可以不用打印

     data=phone.recv(1024)               #接收服务端返回来的数据信息

     # print('has recv===========>')     #测试程序是否运行到此,可以不用打印

     print(data)

 phone.close()

客户端改进版2（异常处理）

问题：

有的童鞋在重启服务端时可能会遇到：

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：

 #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))

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

方法二

使用面向对象方法实现socket连接互通：

 import socketserver

 class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):

     def my_sendall(self,content):

         content = bytes(content, encoding='utf-8')

         self.request.sendall(content)

     def my_recv(self):

         recv_data = self.request.recv(1024)

         data = recv_data.decode('utf-8')

         return data

     def handle(self):

         self.my_sendall('welcome')

         Flag = True

         while Flag:

              data = self.my_recv()

              if data == 'exit':

                  Flag = False

                  self.finish()

              else:

                  print(data)

                  content = '已经收到您的输入%(data)s'%{'data':data}

                  self.my_sendall(content)

 if __name__ == '__main__':

     server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyServer)

     server.serve_forever()

server

 import socket

 class MySocket:

     def __init__(self):

         ip_port = ('127.0.0.1',8009)

         self.sk = socket.socket()

         self.sk.connect(ip_port)

     def my_recv(self):

         recv_data = self.sk.recv(1024)

         data = recv_data.decode('utf-8')

         return data

     def my_send(self,inp):

         send_data = bytes(inp, encoding='utf-8')

         self.sk.sendall(send_data)

     def close(self):

         self.sk.close()

 sk = MySocket()

 while True:

     recv_data = sk.my_recv()

     print('receive:',recv_data)

     inp = input('please input:')

     sk.my_send(inp)

     if inp == 'exit':

         break

 sk.close()

client

八、基于udp协议的套接字实现

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

udp套接字简单示例

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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)

 udp服务端

udp服务端

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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)

 udp客户端

udp客户端

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)

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 import socket

 ip_port=('127.0.0.1',8081)

 udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机

 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)

 udp服务端

udp服务端

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 import socket

 BUFSIZE=1024

 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

 qq_name_dic={

     '狗哥alex':('127.0.0.1',8081),

     '瞎驴':('127.0.0.1',8081),

     '一棵树':('127.0.0.1',8081),

     '武大郎':('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: ').strip()

         if msg == 'quit':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()

 udp客户端1

udp客户端1

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 import socket

 BUFSIZE=1024

 udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

 qq_name_dic={

     '狗哥alex':('127.0.0.1',8081),

     '瞎驴':('127.0.0.1',8081),

     '一棵树':('127.0.0.1',8081),

     '武大郎':('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: ').strip()

         if msg == 'quit':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()

 udp客户端2

udp客户端2

时间服务器

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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.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()

 ntp服务端

ntp服务端

 #_*_coding:utf-8_*_

 __author__ = 'Linhaifeng'

 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)

     print(data.decode('utf-8'))

 tcp_client.close()

 ntp客户端

ntp客户端

udp测试笔记:

#此测试的主要目的是验证udp协议发数据会丢包的问题，如下看到接收的字节设置为2，而客户端发送的hello为

# 5个字节，发送之后服务端只收到前2个字节，下一条消息同样也只收到前2个字节，那么剩下的没收到的字节数

# 据也就丢失了，但是测试时在windows系统是直接提醒报错的，但是linux系统是没有限制的

import socket

udpserver=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

udpserver.bind(('127.0.0.1',8080))

data,client_addr=udpserver.recvfrom(2)     #这里的接收数据的大小设置为2个字节

print('======>',data.decode('utf-8'))

data,client_addr=udpserver.recvfrom(2)

print('======>',data.decode('utf-8'))