基于TCP协议的socket套接字编程

时间 2019-11-07

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1、什么是Scoket

Socket是应用层与TCP/IP协议族通讯的中间软件抽象层，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，对用户来讲，一组简单的接口就是所有，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。linux

因此，咱们无需深刻理解tcp/udp协议，socket已经为咱们封装好了，咱们只须要遵循socket的规定去编程，写出的程序天然就是遵循tcp/udp标准的。编程

注意：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是同一台机器上不一样进程或者线程的标识。

2、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。所以,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信。这也被称进程间通信,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。设计模式

2.1 基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX缓存

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，能够经过访问同一个文件系统间接完成通讯服务器

2.2 基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INETcookie

(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其余的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是不多被使用，或者是根本没有实现，全部地址家族中，AF_INET是使用最普遍的一个，python支持不少种地址家族，可是因为咱们只关心网络编程，因此大部分时候我么只使用AF_INET)网络

3、套接字工做流程

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创建起了链接，就能够讲话了。等交流结束，挂断电话结束这次交谈。生活中的场景就解释了这工做原理。并发

先从服务器端提及。服务器端先初始化Socket，而后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端链接。在这时若是有个客户端初始化一个Socket，而后链接服务器(connect)，若是链接成功，这时客户端与服务器端的链接就创建了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，而后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭链接，一次交互结束，使用如下Python代码实现：socket

import socket

# socket_family 能够是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 能够是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 通常不填，默认值为 0
socket.socket(socket_family, socket_type, protocal=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)

# 因为 socket 模块中有太多的属性。咱们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *'，咱们就把 socket 模块里的全部属性都带到咱们的命名空间里了，这样能大幅减短咱们的代码
tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

3.1 服务端套接字函数

方法	用途
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客户的链接,(阻塞式)等待链接的到来

3.2 客户端套接字函数

方法	用途
s.connect()	主动初始化TCP服务器链接
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

3.3 公共用途的套接字函数

方法	用途
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()	链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

3.4 面向锁的套接字方法

方法	用途
s.setblocking()	设置套接字的阻塞与非阻塞模式
s.settimeout()	设置阻塞套接字操做的超时时间
s.gettimeout()	获得阻塞套接字操做的超时时间

3.5 面向文件的套接字的函数

方法	用途
s.fileno()	套接字的文件描述符
s.makefile()	建立一个与该套接字相关的文件

4、基于TCP协议的套接字编程(简单)

能够经过netstat -an | findstr 8080查看套接字状态

4.1 服务端

import socket

#一、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)

#二、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8081))

#三、开机
phone.listen(5)  # 半链接池，限制的是请求数

#四、等待电话链接
print('start....')
conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手创建的双向链接，（客户端的ip，端口））
print(conn)
print(client_addr)

#五、通讯：收\发消息
data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数
print('来自客户端的数据', data)
conn.send(data.upper())

# import time
# time.sleep(500)
#六、挂掉电话链接
conn.close()

#七、关机
phone.close()

4.2 客户端

import socket
# socket.AF
#一、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print(phone)
#二、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8081))  # 指定服务端ip和端口

#三、通讯：发\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、关闭
phone.close()

5、基于TCP协议的套接字编程(循环)

5.1 服务端

import socket

#一、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)

#二、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))

#三、开机
phone.listen(5)  # 半链接池，限制的是请求数

#四、等待电话链接
print('start....')
while True:  # 链接循环
    conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手创建的双向链接，（客户端的ip，端口））
    # print(conn)
    print('已经有一个链接创建成功', client_addr)

    #五、通讯：收\发消息
    while True:  # 通讯循环
        try:
            print('服务端正在收数据...')
            data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数，没有数据会在原地一直等待收，即发送者发送的数据量必须>0bytes
            # print('===>')
            if len(data) == 0: break  #在客户端单方面断开链接，服务端才会出现收空数据的状况
            print('来自客户端的数据', data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break
    #六、挂掉电话链接
    conn.close()

#七、关机
phone.close()

5.2 客户端1

import socket

#一、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#二、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口

#三、通讯：发\收消息
while True:  # 通讯循环
    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、关闭
phone.close()

5.3 客户端2

import socket

#一、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#二、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口

#三、通讯：发\收消息
while True:  # 通讯循环
    msg = input('>>: ').strip()
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    data = phone.recv(1024)
    print(data)

#四、关闭
phone.close()

6、地址占用问题

有的同窗在重启服务端时可能会遇到：

这个是因为你的服务端仍然存在四次挥手的time_wait状态在占用地址（若是不懂，请深刻研究1.tcp三次握手，四次挥手 2.syn洪水攻击 3.服务器高并发状况下会有大量的time_wait状态的优化方法）

6.1 方法一

# 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))

6.2 方法二(Linux)

发现系统存在大量TIME_WAIT状态的链接，经过调整linux内核参数解决，
vi /etc/sysctl.conf

编辑文件，加入如下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
 
而后执行 /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，可防范少许SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。容许将TIME-WAIT sockets从新用于新的TCP链接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP链接中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