基于python的socket网络通信【1】

一、Socket原理

学习了大佬的知识，简单记一些笔记
https://www.jianshu.com/p/066d99da7cbd
http://c.biancheng.net/view/2351.html

1.1什么是Socket

在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据
　　socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。
　　我的理解就是Socket就是该模式的一个实现：即socket是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。
　　Socket()函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

百度百科：套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合

1.2Unix/Lunix中的socket

在 UNIX/Linux 系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备也都被看成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。

你也许听很多高手说过，UNIX/Linux 中的一切都是文件！那个家伙说的没错。

为了表示和区分已经打开的文件，UNIX/Linux 会给每个文件分配一个 ID，这个 ID 就是一个整数，被称为文件描述符（File Descriptor）。例如：
通常用 0 来表示标准输入文件（stdin），它对应的硬件设备就是键盘；
通常用 1 来表示标准输出文件（stdout），它对应的硬件设备就是显示器。

UNIX/Linux 程序在执行任何形式的 I/O 操作时，都是在读取或者写入一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数，它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、FIFO、管道、终端、键盘、显示器，甚至是一个网络连接。

请注意，网络连接也是一个文件，它也有文件描述符！你必须理解这句话。

我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件，socket() 的返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，例如：
用 read() 读取从远程计算机传来的数据；
用 write() 向远程计算机写入数据。

你看，只要用 socket() 创建了连接，剩下的就是文件操作了，网络编程原来就是如此简单！

1.3Windows中的socket

Windows 也有类似“文件描述符”的概念，但通常被称为“文件句柄”。因此，本教程如果涉及 Windows 平台将使用“句柄”，如果涉及 Linux 平台则使用“描述符”。

与 UNIX/Linux 不同的是，Windows 会区分 socket 和文件，Windows 就把 socket 当做一个网络连接来对待，因此需要调用专门针对 socket 而设计的数据传输函数，针对普通文件的输入输出函数就无效了

2.网络中进程如何通信

2.1、本地进程间通信

a、消息传递（管道、消息队列、FIFO）
　　b、同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
　　c、共享内存（匿名的和具名的，eg:channel）
　　d、远程过程调用(RPC)

2.2、网络中进程如何通信

我们要理解网络中进程如何通信，得解决两个问题：
　　ａ、我们要如何标识一台主机，即怎样确定我们将要通信的进程是在那一台主机上运行。
　　ｂ、我们要如何标识唯一进程，本地通过pid标识，网络中应该怎样标识？
解决办法：
　　ａ、TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机
　　ｂ、传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程），因此，我们利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互

3、Socket通信分类

网络中进程间利用三元组【ip地址，协议，端口】可以进行网络间通信，socket就是利用三元组解决网络通信的一个中间件工具，就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用Socket，Socket通信的数据传输方式，常用的有两种：
ａ、SOCK_STREAM：对应TCP协议，表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。
　　ｂ、SOCK_DGRAM：对应UDP协议，表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。
　　例如：QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响
　　
Socket 编程是基于 TCP 和 UDP 协议的，它们的层级关系如下图所示：

图解Socket() 函数

4、Socket（TCP）建立连接的三次握手

Socket的功能简化为三个：建立连接、发送数据以及接收数据，下链接为建立连接的流程
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Socket缓冲区

每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发
送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取

这些I/O缓冲区特性可整理如下：

I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

一般情况下，不用关系默认缓冲区的大小，但也可以用如下代码查看与修改

sock.getsockopt()        # 获取缓冲区大小
sock.setsockopt()         #更改缓冲区大小

收发函数特性：

recv特征：

如果建立的另一端链接被断开，则recv立即返回空字符串
recv是从接受缓冲区取出内容，当缓冲区为空则阻塞
recv如果一次接受不完缓冲区的内容，下次执行会自动接受

send特征：

如果发送的另一端不存在则会产生Pipe Broken异常
send是从发送缓冲区发送内容，当缓冲区为满则堵塞

这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性，TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的。

TCP协议的粘包问题

socket缓冲区和数据的传递过程，可以看到数据的接收和发送是无关的，read()/recv() 函数不管数据发送了多少次，都会尽可能多的接收数据。也就是说，read()/recv() 和 write()/send() 的执行次数可能不同。
例如，write()/send() 重复执行三次，每次都发送字符串”abc”，那么目标机器上的 read()/recv() 可能分三次接收，每次都接收”abc”；也可能分两次接收，第一次接收”abcab”，第二次接收”cabc”；也可能一次就接收到字符串”abcabcabc”。

假设我们希望客户端每次发送一位学生的学号，让服务器端返回该学生的姓名、住址、成绩等信息，这时候可能就会出现问题，服务器端不能区分学生的学号。例如第一次发送 1，第二次发送 3，服务器可能当成 13 来处理，返回的信息显然是错误的。

这就是数据的“粘包”问题，客户端发送的多个数据包被当做一个数据包接收。也称数据的无边界性，read()/recv() 函数不知道数据包的开始或结束标志（实际上也没有任何开始或结束标志），只把它们当做连续的数据流来处理。

真正的关闭socket

close方法可以释放一个连接的资源，但是不是立即释放，如果想立即释放，那么请在close之前使用shutdown方法
shutdown方法是用来实现通信模式的，模式分三种，SHUT_RD 关闭接收消息通道，SHUT_WR 关闭发送消息通道，SHUT_RDWR 两个通道都关闭
也就是说，想要关闭一个连接，首先把通道全部关闭，然后在release连接，以上三个静态变量分别对应数字常量：0,1,2

self.tcpClient.shutdown(2)      #关闭消息发送通道
self.tcpClient.close()            #关闭套接字连接

python socket编程实例1——文本传输

客户端：

#port = str(input('please input sever port:'))
host = '192.168.2.107'    #客户端连接到服务器的ip
port = 5270  #端口
sever_address = (host, port)     #元组定义服务器地址，用于作为socket.connect()函数参数 连接到服务器
text_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)     #创建一个socket对象为text_client

text_client.connect(sever_address)       #连接到服务器
succeed_flag='cok'                       #设置消息发送成功标志
text = 'connect succeed'
while True :
    try:
        text_client.send(text.encode())  # 发送文本数据，用 encode() 方法将str变为byte
        text = input('please input the message')
        receive_text = text_client.recv(1024).decode()
        print(receive_text)

    finally:
        print('send over!')

服务器：

import socket

#可以手动输入本机ip地址，若有多个网口，服务器想从那个网口接收数据，就输入那个网口的ip
#hostname = socket.gethostname()  #可以用 .gethostname()函数来自动得到主机ip，不用手动输入了
#host = socket.gethostbyname(hostname)
host = '192.168.2.107'    #客户端连接到服务器的ip
port = 5270  #端口
sever_address = (host, port)     #创建元组作为 socket.bind()函数的输入，

text_sever = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)     #创建一个socket对象为text_sever 为服务器
text_sever.bind(sever_address)    #.bind() 函数绑定端口，该服务器监听此端口
text_sever.listen(4)         #开启监听，同时接入数量最多为4

succeed_flag = 'sok'
while True :
    try:
        print(host)
        print('waiting connect')
        text_client_socket, text_client_address = text_sever.accept()              #accept() 函数，堵塞等待client的连接，连接到后才会执行下一条语句
        print(text_client_address[0] + 'is connected!')

        while True :
            receive_text = text_client_socket.recv(1024)  .decode()            #接收client发送的数据，数据最大为1024 ；此处可以看出接收用户数据测试
            print(receive_text)
            text_client_socket.send(succeed_flag.encode())                     #发送给client ok ，反馈自己确实接收到数据

    finally:
        print('work over!')

python socket编程实例2——视频传输