Python网络编程进阶篇

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一、粘包现象

首先粘包现象是TCP独有的，UDP中没有！至于原因后面我会仔细讲解。因此我拿入门篇中的一个TCP项目（远程执行命令）来描述这个现象！：

# settings.py
IP_PORT = ('127.0.0.1',8082) # 如果远程控制云服务器，请改成公网ip+port，且安全组开放指定的端口
READ_SIZE = 2048

# tcp服务端
import subprocess
import socket
import settings
server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 不用from导，可以明确看出AF_INET这些属性都是模块的，而不是socket类的。
server.bind(settings.IP_PORT)
server.listen(5)
while True:
    conn,addr = server.accept()
    while True:
        msg = conn.recv(settings.READ_SIZE)
        if len(msg) == 0:
            print('客户端正常close,也会发送空数据给服务端！')
            break
        msg = msg.decode('utf-8')
        obj = subprocess.Popen(msg,shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)
        std_msg = obj.stdout.read()
        err_msg = obj.stderr.read()
        msg = std_msg + err_msg
        conn.send(msg)
    conn.close()

# tcp客户端
import socket
import settings
client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect(settings.IP_PORT)
while True:
    msg = input('请输入您要执行的命令 >>>').strip()
    if msg == '':
        continue
    if msg == 'exit':
        break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    feedback = client.recv(settings.READ_SIZE)
    print(feedback.decode('utf-8'))
client.close()

我们客户端先执行ifconfig,再执行ls /：
发现ls /得到的结果是ifconfig没取干净的内容。这种现象就是粘包现象！

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二、什么是粘包

上面说只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包，为何，请看下文！

1、socket收发消息的原理

2、为什么TCP出现粘包现象？

TCP是面向连接的，流式协议，如果send一个数据过大，他会采用分段传输。数据过小，会粘在一起传输（nagle算法），所以TCP传输数据，像一段水流一样，流到客户端，recv(1024),是最多接收1024字节，一般缓存区只要有数据，就会recv，我们这里是本地做实验，网络延时基本不存在，所以，最多接收1024字节，那么它肯定是接收了1024字节的，但是如果，网络延时很高，水流到客户端，起初只有几个字节，那么recv也只会收几个字节，就造成了没有收干净的情况，后面的水再流过来，还是会继续放到缓存区，下次你再输入的命令，取的就是上次没取干净的内容了，一直这样下去，每次执行命令返回的结果都是错乱的。

3、为什么UDP不会出现粘包现象

然而UDP传输消息，是传输一个整个消息到服务端，且是不可靠的，如果你一次没取完，剩下的就直接扔掉了。因此它不会出现粘包现象，一般UDP用于传输短数据，UDP可以用于聊天，你会发现聊天有些时候有字数限制，这是因为要限制你的数据长度，过长就容易丢失，短的数据用UDP还是比较可靠的。

我们现在知道了是因为没收干净导致的粘包现象，因此我们接下来的解决方案，就是致力于使每次收包，都能收干净，才能执行下条命令！

补充知识点一：

当发送端缓冲区的长度大于网卡的MTU时，tcp会将这次发送的数据拆成几个数据包发送出去。

补充知识点二：

# send(字节流)与sendall的区别。
send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失

三、解决粘包的low比处理方法

问题的根源在于，接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度,以至于收不完数据，所以解决粘包的方法就是围绕，如何让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据

# settings.py
IP_PORT = ('127.0.0.1',8082) # 如果远程控制云服务器，请改成公网ip+port，且安全组开放指定的端口
READ_SIZE = 2048

# tcp服务端
import subprocess
import socket
import settings
server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 不用from导，可以明确看出AF_INET这些属性都是模块的，而不是socket类的。
server.bind(settings.IP_PORT)
server.listen(5)
while True:
    conn,addr = server.accept()
    while True:
        msg = conn.recv(settings.READ_SIZE)
        if len(msg) == 0:
            print('客户端正常close,也会发送空数据给服务端！')
            break
        msg = msg.decode('utf-8')
        obj = subprocess.Popen(msg,shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)
        std_msg = obj.stdout.read()
        err_msg = obj.stderr.read()
        msg = std_msg + err_msg
        conn.send(str(len(msg)).encode('utf-8'))
        flag = conn.recv(1024).decode('utf-8')
        if flag == '已收到数据长度，可以开始正式传输数据!':
            conn.sendall(msg)
    conn.close()

# tcp客户端
import socket
import settings
client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect(settings.IP_PORT)
while True:
    msg = input('请输入您要执行的命令 >>>').strip()
    if msg == '':
        continue
    if msg == 'exit':
        break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data_len = int(client.recv(1024).decode('utf-8'))
    client.send('已收到数据长度，可以开始正式传输数据!'.encode('utf-8'))
    recv_data_len = 0
    data = b''
    while recv_data_len < data_len:
        feedback = client.recv(settings.READ_SIZE)
        recv_data_len += len(feedback)
        data += feedback
        print(data.decode('utf-8'))
client.close()

执行结果：
为何low：
程序的运行速度远快于网络传输速度，所以服务端在发送一段字节的数据前，先用send去发送该字节流长度，这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗

四、解决粘包的大招

大招：自定义协议。当然我们解决的思想还是：自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据，只是知晓的手段更加高明！

1、解决粘包的大招思想

答：我们服务端在发送数据时，在数据上封装一层固定长度的头部，头部里面装的就是数据的长度。我们客户端接收的时候，先接受那固定长度的头部，拿到数据的长度，然后再循环接收后面的数据，直到数据取完！

2、struct模块

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

>>> res = struct.pack('i',111111111) # i是什么？i是说明你要转换的对象是一个整型数字,注意长度是有限的，如果你要转换很大的数字，你需要指定l长整型或者q也可以
>>> res # i转换出来固定长度为4个字节
b'\xc7k\x9f\x06'
>>> struct.unpack('i',res) # 注意得到的是一个小元组
(111111111,)

3、大招源码

# settings.py
IP_PORT = ('127.0.0.1',8082) # 如果远程控制云服务器，请改成公网ip+port，且安全组开放指定的端口
READ_SIZE = 2048

# tcp服务端
import subprocess
import socket
import struct
import settings
server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) # 不用from导，可以明确看出AF_INET这些属性都是模块的，而不是socket类的。
server.bind(settings.IP_PORT)
server.listen(5)
while True:
    conn,addr = server.accept()
    while True:
        msg = conn.recv(settings.READ_SIZE)
        if len(msg) == 0:
            print('客户端正常close,也会发送空数据给服务端！')
            break
        msg = msg.decode('utf-8')
        obj = subprocess.Popen(msg,shell=True,
                         stdout=subprocess.PIPE,
                         stderr=subprocess.PIPE)
        std_msg = obj.stdout.read()
        err_msg = obj.stderr.read()
        msg = std_msg + err_msg
        msg_len = struct.pack('i',len(msg)) # pack的结果就是个字节类型的哈
        conn.send(msg_len) # 打个头部，就是在数据之前发送，没啥高深的
        conn.send(msg)
    conn.close()

# tcp客户端
import socket
import settings
import struct
client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect(settings.IP_PORT)
while True:
    msg = input('请输入您要执行的命令 >>>').strip()
    if msg == '':
        continue
    if msg == 'exit':
        break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data_len_tuple = client.recv(4)
    data_len = struct.unpack('i',data_len_tuple)[0]
    recv_len = 0
    data = b''
    while recv_len < data_len:
        feedback = client.recv(settings.READ_SIZE)
        recv_len += len(feedback)
        data += feedback
    print(data.decode('utf-8'))
client.close()

先执行ps aux,再执行ls /：
成功！！像这样我们加了个头部，头部长度固定，就是自定义了个协议，只是这个协议比较简单而已。

4、存在的不足之处，定义更通用的协议

假如我是基于tcp实现的是文件的上传和下载，把文件打开，把数据传过来，我们不仅需要将文件里面数据的长度先传到客户端，也要把文件名、文件的md5校验码（校验文件完整性）也先数据传一步传过来，这样我们才能打开一个相同名字的文件，把接收到的数据，写入这个文件。

（1）解决思想

1. '服务端的操作：'我们可以创建一个字典，把需要先一步发送的东西，全放进去，然后用json将其序列化得到一个字符串，然后将其转为bytes类型，然后服务器会把这个bytes当作头部传输过去，因此我们需要知道头部的长度啊，因此我们需要struct把len(字典序列化后转成的bytes类型)打成一个固定长度的'头部的头部'。

2. '客户端的操作：'客户端先recv4个字节的头部，里面存的是'字典序列化转成的bytes类型的长度',unpack得到其长度假如为length,然后再recv(length),得到'字典序列化转成的bytes类型',然后decode，然后json.loads得到字典，这样就拿到了你想要先数据一步传输过来的信息。再进行其他操作即可。

（2）源码解析流程

import json,struct
# 假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt

# 为避免粘包,必须自定制报头
header_dic={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} # 1T数据,文件路径和md5值

# 为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes
head_bytes=json.dumps(header_dic).encode('utf-8') # 序列化得到一个字符串并转成bytes,用于传输

# 为了让客户端知道报头的长度,用struck将报头长度这个数字转成固定长度:4个字节
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) # 这4个字节里只包含了一个数字,该数字是报头的长度

# 服务端开始发送
conn.send(head_len_bytes) # 先发报头的长度,4个bytes
conn.send(head_bytes) # 再发报头的字节格式
conn.sendall(文件内容) # 然后发真实内容的字节格式

# 客户端开始接收
head_len_bytes=s.recv(4) # 先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] # 提取报头的长度
head_bytes=s.recv(x) # 按照报头长度x,收取报头的bytes格式
head_dic = json.loads(head_bytes.decode('utf-8')) # 提取字典，字典里面的所有需要先数据一步传入的信息，客户端就拿到了

# 最后根据报头的内容提取真实的数据,比如
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

五、socketserver实现并发

1、socketserver基于(TCP)实现并发

# 服务端
import socketserver
class MyHandler(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):     # 这个方法必须定义，里面写TCP的通信逻辑
        #通信循环
        while True:
            try:
                data=self.request.recv(1024)  # self.request就是conn那个管道
                if len(data)==0:break # 发空表示客户端断开连接了，所以break掉通信循环
                self.request.send(data.upper()) # 相当于conn.send(data.upper())
            except Exception:
                break
s=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyHandler,bind_and_activate=True)
s.serve_forever()       # 代表连接循环，不断accept建立连接
# 每建立一个连接就会启动一个线程（服务员），然后调用MyHandler类产生一个对象，调用该对像下的handle方法，与刚刚建立好的连接进行通信循环

# 客户端，复制多份就是多个客户端
import socket

client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1',8080)) # 指定服务端ip和端口

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg = 'exit':break
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data=client.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

client.close() # 客户端输入命令exit，跳出通信循环，客户端close断开连接

2、socketserver基于(UDP)实现并发

# 服务端
import socketserver
class MyHandler(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self): # 写UDP通信逻辑
        data=self.request[0] # 首先你应该明白这个self，到底是啥，它是专为某个客户端创建MyHandler对象，这里的request和tcp的不一样，这里的self.request[0],直接获取到的是客户端发来的数据。
        # UDP面向无连接，一次消息的发送，是一整个消息，想下每个消息，一个线程，对应一个Myhandler的对象，发送的数据我可以直接存储在这个对象里就行了。
        # TCP是面向连接的，一次连接，多次数据交互，所以我们必须还得使用recv、send操作，不能把数据存给对象的某个数据属性，如果赋值给某个属性，那么会覆盖，得到数据不完整。
        print('客户端消息',data)
        self.request[1].sendto(data.upper(),self.client_address) # self.client_address获取client的ip_port小元组，指定客户端的地址端口

s=socketserver.ThreadingUDPServer(('127.0.01',8080),MyHandler)
s.serve_forever() # 来一个消息，就为其分配一个线程，然后这个线程，执行MyHandler类得到一个对象，调用handle方法，

# 客户端
import socket
client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
msg='client11111111111'
client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080))
data,server_addr=client.recvfrom(1024)
print(data)
client.close()

注意上述为了更加清晰的解释socketserver实现并发的原理，并没有添加粘包的处理方式。可以自己尝试。

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