赵走x博客 - 开发者的网上家园

Python3之socket编程--3:基于UDP的套接字

资源编号:76287 人工智能深入浅出Python机器学习热度：36

未完待续

# 六、基于UDP的套接字

### 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
```

### 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)
```

##### 输出

客户端
```
>>: 123
123 ('127.0.0.1', 9000)
>>: 3
3 ('127.0.0.1', 9000)
>>: 4
4 ('127.0.0.1', 9000)
```
服务端
```
b'123' ('127.0.0.1', 53066)
b'3' ('127.0.0.1', 53066)
b'4' ('127.0.0.1', 53066)
 ```

### 模拟QQ聊天，多个客户端和服务端通信

##### 服务端

```
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)
```

##### 客户端1

```
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    'TOM':('127.0.0.1',8081),
    'JACK':('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()
```

##### 客户端2

```
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    'TOM':('127.0.0.1',8081),
    'JACK':('127.0.0.1',8081),
    '一棵树':('127.0.0.1',8081),
    '武大郎':('127.0.0.1',8081),
}

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()
```

##### 输出

客户端1
```
请选择聊天对象: JACK
请输入消息,回车发送: 约不
来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:不约
请输入消息,回车发送: 
```
客户端2
```
请选择聊天对象: TOM
请输入消息,回车发送: 123
来自[127.0.0.1:8081]的一条消息:321
请输入消息,回车发送: 
```
服务端
```
来自[127.0.0.1:62851]的一条消息:123
回复消息: 321
来自[127.0.0.1:60378]的一条消息:约不
回复消息: 不约
 ```

# 七、recv与recvfrom
发消息，都是将数据发送到己端的发送缓冲中，收消息都是从己端的缓冲区中收。
```
tcp：send发消息，recv收消息
udp：sendto发消息，recvfrom收消息
```
###  1.send与sendinto
tcp是基于数据流的，而udp是基于数据报的：

* send(bytes_data):发送数据流，数据流bytes_data若为空，自己这段的缓冲区也为空，操作系统不会控制tcp协议发空包
* sendinto(bytes_data,ip_port)：发送数据报，bytes_data为空，还有ip_port,所有即便是发送空的bytes_data,数据报其实也不是空的，自己这端的缓冲区收到内容，操作系统就会控制udp协议发包。

### 2.recv与recvfrom

##### tcp协议：

（1）如果收消息缓冲区里的数据为空，那么recv就会阻塞（阻塞很简单，就是一直在等着收）

（2）只不过tcp协议的客户端send一个空数据就是真的空数据，客户端即使有无穷个send空，也跟没有一个样。

（3）tcp基于链接通信

基于链接，则需要listen（backlog），指定半连接池的大小
基于链接，必须先运行的服务端，然后客户端发起链接请求
对于mac系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端在收消息后加上if判断，空消息就break掉通信循环)
对于windows/linux系统：如果一端断开了链接，那另外一端的链接也跟着完蛋recv将不会阻塞，收到的是空(解决方法是：服务端通信循环内加异常处理，捕捉到异常后就break掉通讯循环)

##### udp协议

（1）如果如果收消息缓冲区里的数据为“空”，recvfrom也会阻塞

（2）只不过udp协议的客户端sendinto一个空数据并不是真的空数据（包含：空数据+地址信息，得到的报仍然不会为空），所以客户端只要有一个sendinto（不管是否发送空数据，都不是真的空数据），服务端就可以recvfrom到数据。

（3）udp无链接

无链接，因而无需listen（backlog），更加没有什么连接池之说了
无链接，udp的sendinto不用管是否有一个正在运行的服务端，可以己端一个劲的发消息，只不过数据丢失
recvfrom收的数据小于sendinto发送的数据时，在mac和linux系统上数据直接丢失，在windows系统上发送的比接收的大直接报错
只有sendinto发送数据没有recvfrom收数据，数据丢失 
注意：

1.你单独运行上面的udp的客户端，你发现并不会报错，相反tcp却会报错，因为udp协议只负责把包发出去，对方收不收，我根本不管，而tcp是基于链接的，必须有一个服务端先运行着，客户端去跟服务端建立链接然后依托于链接才能传递消息，任何一方试图把链接摧毁都会导致对方程序的崩溃。

2.上面的udp程序，你注释任何一条客户端的sendinto，服务端都会卡住，为什么？因为服务端有几个recvfrom就要对应几个sendinto，哪怕是sendinto(b'')那也要有。

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）

客户端

复制代码
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='')
复制代码
服务端

复制代码
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.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
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=res.stderr.read()
        stdout=res.stdout.read()
        conn.send(stderr)
        conn.send(stdout)
复制代码

输出

客户端

复制代码
>>: ls
1.py
客户端.py
客户端1.py
客户端2.py
服务端.py
>>: ifconfig en0
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether 78:4f:43:5b:a5:4c 
    inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 
    inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
>>: ifconfig
lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384
    options=1203<RXCSUM,TXCSUM,TXSTATUS,SW_TIMESTAMP>
    inet 127.0.0.1 netmask 0xff000000 
    inet6 ::1 prefixlen 128 
    inet6 fe80::1%lo0 prefixlen 64 scopeid 0x1 
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
gif0: flags=8010<POINTOPOINT,MULTICAST> mtu 1280
stf0: flags=0<> mtu 1280
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    ether 78:4f:43:5b:a5:4c 
    inet6 fe80::d0:d821:dbf0:3d67%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x5 
    inet 192.168.31.165 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
en1: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:00 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en3: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500
    options=60<TSO4,TSO6>
    ether e2:00:ec:98:eb:01 
    media: autoselect <full-duplex>
    status: inactive
en2: flags=963<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,PROMISC,SIMPLEX> mtu 1500>>: 
>>: 
复制代码
服务端

客户端 ('127.0.0.1', 58194)
上述程序是基于tcp的socket，在运行时会发生粘包

服务端

复制代码
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:
    #收消息
    cmd,addr=udp_server.recvfrom(bufsize)
    print('用户命令----->',cmd)

#逻辑处理
    res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,stderr=subprocess.PIPE,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE)
    stderr=res.stderr.read()
    stdout=res.stdout.read()

#发消息
    udp_server.sendto(stderr,addr)
    udp_server.sendto(stdout,addr)
udp_server.close()
复制代码
客户端

复制代码
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='')
复制代码
上述程序是基于udp的socket，在运行时永远不会发生粘包

注意注意注意：

res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
shell=True,
stderr=subprocess.PIPE,
stdout=subprocess.PIPE)

的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

八、粘包
1.什么是粘包
粘包：发送方发送两个字符串”hello”+”world”，接收方却一次性接收到了”helloworld”。

只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包。

所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的。

补充：

分包：发送方发送字符串”helloworld”，接收方却接收到了两个字符串”hello”和”world”。

TCP是以段（Segment）为单位发送数据的，建立TCP链接后，有一个最大消息长度（MSS）。如果应用层数据包超过MSS，就会把应用层数据包拆分，分成两个段来发送。这个时候接收端的应用层就要拼接这两个TCP包，才能正确处理数据。

补充：

一个socket收发消息的原理

2.粘包如何产生
TCP为了提高网络的利用率，会使用一个叫做Nagle的算法。该算法是指，发送端即使有要发送的数据，如果很少的话，会延迟发送。如果应用层给TCP传送数据很快的话，就会把两个应用层数据包“粘”在一起，TCP最后只发一个TCP数据包给接收端。

tcp的协议数据不会丢，没有收完包，下次接收，会继续上次继续接收，己端总是在收到ack时才会清除缓冲区内容。数据是可靠的，但是会粘包。

两种情况下会发生粘包。

发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据了很小，会合到一起，产生粘包）

服务端
 客户端
输出

服务端

-----> hellofeng　　　　#出现粘包现象
-----> 
接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）

服务端
 客户端
输出

-----> he
-----> llo feng
补充：

recv里指定的1024意思是从缓存里一次拿出1024个字节的数据

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

3.如何解决粘包问题
为字节流加上自定义固定长度报头，报头中包含字节流长度，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取真实数据

struct模块

该模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes

复制代码
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={'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=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成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

#客户端开始发送
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

#服务端开始接收
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
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取报头

#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)
复制代码

示例：

我们可以把报头做成字典，字典里包含将要发送的真实数据的详细信息，然后json序列化，然后用struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）

发送时：

先发报头长度

再编码报头内容然后发送

最后发真实内容

接收时：

先手报头长度，用struct取出来

根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化

从反序列化的结果中取出待取数据的详细信息，然后去取真实的数据内容

服务端
 客户端
输出

客户端
服务端

starting....
cliet addr ('127.0.0.1', 59162)