【一】什么是socket
- 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
【二】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,分别是基于文件型的和基于网络型的。
【1】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
【2】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:
- 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
【三】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。
【1】流程分析(文字)
- 服务端:
- 服务器端先初始化socket对象
- 然后与本地端口绑定(bind),对端口进行监听(listen)
- 调用accept阻塞,等待客户端连接
- 服务端send发送数据请求,客户端接收请求并处理请求
- 然后客户端把回应数据发送给服务端,服务端接收并读取数据
- 最后关闭连接(close),一次交互结束
- 客户端:
- 客户端初始化一个socket对象
- 然后与本地端口绑定(bind)
- 然后连接服务器(connect)
- 客户端接收并读取数据
- 客户端send发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求
- 最后关闭连接(close),一次交互结束
【2】流程分析(代码)
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口绑定(bind),对端口进行监听(listen)
ip = '127.0.0.6'
port = 8080
server_socket.bind((ip, port))
# 半连接池
server_socket.listen()# 【3】调用accept阻塞,等待客户端连接
conn, addr = server_socket.accept()# 【4】服务端send发送数据请求,客户端接收请求并处理请求
# #只能发送二进制数据
data = ''
conn.send(data.encode()) # 编码二进制数据# 【5】然后客户端把回应数据发送给服务端,服务端接收并读取数据
data = conn.recv(1024) # 1024个字节
print(data.decode()) # 解码二进制数据
# 最后关闭连接(close),一次交互结束
conn.close()
server_socket.close()
import socket# 【1】客户端初始化一个Socket
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口绑定(bind),连接服务器(connect)
ip = '127.0.0.6'
port = 8080
client_socket.connect((ip, port))# 【3】客户端接收并读取数据
data = client_socket.recv(1024)
print(data.decode())
# 【4】客户端send发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求
data = ''
client_socket.send(data.encode())
# 【6】最后关闭连接(close),一次交互结束
client_socket.close()
【3】套接字的相关函数
#【1】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
#【2】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
#【3】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
#【4】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
#【5】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
【四】三次握手和四次挥手
# 【1】TCP协议的三次握手和四次挥手
# TCP协议位于osi七层协议中的传输层
# 使用三次握手来建立连接
# 使用四次挥手来断开连接
# 【2】常用名词
# SYN:SYN=1 表示要建立连接
# ACK:ACK=1 表示我收到了,允许
# seq:随机数,建立连接无论客户端还是服务端要建立连接就要要携带
# ack:回应请求就要加1返回
# FIN:表示断开连接
【1】三次握手
# 三次握手发生在建立连接的阶段
# 【1】第一次请求
# 由客户端发起请求 带SYN=1
# 表示我自己是客户端我要建立连接
# seq随机数带
# 发送给服务端
# 客户端 ---> 携带 SYN和SEQ ---> 发送给服务端
# 【2】第二次请求
# 服务端接收到客户端的请求
# ACK=1 表示收到了当前客户端发送给我的请求
# SYN=1 表示要建立连接
# seq:随机数
# 服务端 ---> 接收到客户端的请求,同意建立连接 ---> 发送给客户端
# 【3】第三次请求
# 客户端接收到了服务端的请求
# ACK=1 表示收到了当前服务端发送给我的请求
# SYN=1 表示要建立连接
# seq:随机数
# 和服务端建立连接成功
【2】四次挥手
# 四次挥手发生在断开连接上
# 【1】第一次
# 客户端向服务端发送请求,我想要断开连接
# 【2】第二次
# 服务端接收到客户端的请求
# 表示同意断开连接
# 【3】第三次
# 服务单向客户端发送请求,请求的原因是当前还有数据没有传输完成
# 请求等待,等待数据传输完成
# 发起请求,断开连接
# 服务端向客户端发送请求,请求断开连接
# 【4】第四次
# 客户端接收到服务端的请求
# 直接断开连接
【五】基于TCP的套接字
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口绑定(bind),对端口进行监听(listen)
ip = '127.0.0.7'
port = 8080
server_socket.bind((ip, port))
# 半连接池
server_socket.listen(5)# 【3】调用accept阻塞,等待客户端连接
conn, addr = server_socket.accept()# 【4】服务端send发送数据请求,客户端接收请求并处理请求
# #只能发送二进制数据
to_client_data = '我是来自服务端的数据'
conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据# 【5】然后客户端把回应数据发送给服务端,服务端接收并读取数据
from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节
print(from_client_data.decode()) # 解码二进制数据
# 最后关闭连接(close),一次交互结束
conn.close()
server_socket.close()
import socket# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口绑定(bind),连接服务器(connect)
ip = '127.0.0.7'
port = 8080
client_socket.connect((ip, port))# 【3】客户端接收并读取数据
from_server_data = client_socket.recv(1024)
print(from_server_data.decode())
# 【4】客户端send发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求
to_server_data = '我是来自客户端的数据'
client_socket.send(to_server_data.encode())
# 【6】最后关闭连接(close),一次交互结束
client_socket.close()
【六】基于UDP的套接字
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_DGRAM:连接模式是UDP协议的报式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】服务端接收并读取客户端数据
from_client_data, addr = server_socket.recvfrom(1024) # 1024个字节
print(from_client_data.decode()) # 解码二进制数据
# 我是来自客户端的数据
print(f"addr;{addr}")
# addr;('127.0.0.1', 60561)# 【4】服务端返回给客户端数据
# #只能发送二进制数据
to_client_data = '我是来自服务端的数据'
server_socket.sendto(to_client_data.encode(), addr) # 编码二进制数据
# 最后关闭连接(close)
server_socket.close()
from conf import settings
import socket# 【1】客户端初始化一个socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_DGRAM:连接模式是UDP协议的报式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)# 【2】客户端直接向服务器端发送数据
to_server_data = '我是来自客户端的数据'
client_socket.sendto(to_server_data.encode(), settings.ADDR)
print(client_socket)
# <socket.socket fd=384, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0, laddr=('0.0.0.0', 60561)># 【3】客户端接收并读取服务端的数据
from_server_data, addr = client_socket.recvfrom(1024)
print(from_server_data.decode())
# 我是来自服务端的数据
print(f"addr:{addr}")
# addr:('127.0.0.7', 8080)# 【6】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【七】TCP协议模型
【1】一代
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】监听连接对象
server_socket.listen(5)# 【4】连接客户端
conn, addr = server_socket.accept()
print(conn)
# <socket.socket fd=300, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.7', 8080), raddr=('127.0.0.1', 51175)># 【5】服务端接收并读取客户端数据
from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节
print(from_client_data.decode()) # 解码二进制数据
# 我是来自客户端的数据
print(f"addr;{addr}")
# addr;('127.0.0.1', 51175)# 【6】服务端返回给客户端数据
# #只能发送二进制数据
to_client_data = '我是来自服务端的数据'
conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据
# 【7】最后关闭连接(close)
conn.close()
server_socket.close()
import socket
from conf import settings# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】连接服务器
client_socket.connect(settings.ADDR)# 【3】客户端直接向服务器端发送数据
to_server_data = '我是来自客户端的数据'
client_socket.send(to_server_data.encode())
print(client_socket)
# <socket.socket fd=392, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 51175), raddr=('127.0.0.7', 8080)># 【4】客户端接收并读取服务端的数据
from_server_data = client_socket.recv(1024)
print(from_server_data.decode())
# 我是来自服务端的数据# 【5】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【2】二代(只能发一次信息)
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】监听连接对象
server_socket.listen(5)
while True:# 【4】连接客户端conn, addr = server_socket.accept()# 【5】服务端接收并读取客户端数据from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节print(f"这是来自客户端的数据;{from_client_data.decode()}") # 解码二进制数据# 【6】服务端返回给客户端数据# #只能发送二进制数据to_client_data = input("请输入发送给客户端的数据:").strip()conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据
# 【7】最后关闭连接(close)
conn.close()
server_socket.close()
import socket
from conf import settings# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】连接服务器
client_socket.connect(settings.ADDR)
while True:# 【3】客户端直接向服务器端发送数据to_server_data = input("请输入发送给服务端的数据:").strip()client_socket.send(to_server_data.encode())# 【4】客户端接收并读取服务端的数据from_server_data = client_socket.recv(1024)print(F"这是来自服务端的数据:{from_server_data.decode()}")# 我是来自服务端的数据# 【5】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【3】三代(可以多次发送信息)
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】监听连接对象
server_socket.listen(5)# 【4】连接客户端
conn, addr = server_socket.accept()
while True:# 【5】服务端接收并读取客户端数据from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节print(f"这是来自客户端的数据;{from_client_data.decode()}") # 解码二进制数据# 【6】服务端返回给客户端数据# #只能发送二进制数据to_client_data = input("请输入发送给客户端的数据:").strip()conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据
# 【7】最后关闭连接(close)
conn.close()
server_socket.close()
import socket
from conf import settings# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】连接服务器
client_socket.connect(settings.ADDR)
while True:# 【3】客户端直接向服务器端发送数据to_server_data = input("请输入发送给服务端的数据:").strip()client_socket.send(to_server_data.encode())# 【4】客户端接收并读取服务端的数据from_server_data = client_socket.recv(1024)print(F"这是来自服务端的数据:{from_server_data.decode()}")# 我是来自服务端的数据# 【5】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【4】四代(断开连接,信息为空)
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】监听连接对象
server_socket.listen(5)
# 【4】连接客户端
conn, addr = server_socket.accept()
while True:# 【5】服务端接收并读取客户端数据from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节print(f"这是来自客户端的数据;{from_client_data.decode()}") # 解码二进制数据# 【6】服务端返回给客户端数据# #只能发送二进制数据to_client_data = input("请输入发送给客户端的数据:").strip()conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据
# 【7】最后关闭连接(close)
conn.close()
server_socket.close()
import socket
from conf import settings# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】连接服务器
client_socket.connect(settings.ADDR)
while True:# 【3】客户端直接向服务器端发送数据to_server_data = input("请输入发送给服务端的数据:").strip()if not to_server_data:print("输入的数据不能为空!")continueif to_server_data == "q":print("当前连接已断开!")breakclient_socket.send(to_server_data.encode())# 【4】客户端接收并读取服务端的数据from_server_data = client_socket.recv(1024)print(F"这是来自服务端的数据:{from_server_data.decode()}")# 我是来自服务端的数据# 【5】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【5】五代(检测用户信息为空)
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR,1)
# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)# 【3】监听连接对象
server_socket.listen(5)
# 【4】连接客户端
conn, addr = server_socket.accept()
while True:try:# 【5】服务端接收并读取客户端数据from_client_data = conn.recv(1024) # 1024个字节if not from_client_data:breakprint(f"这是来自客户端的数据;{from_client_data.decode()}") # 解码二进制数据# 【6】服务端返回给客户端数据# #只能发送二进制数据while True:to_client_data = input("请输入发送给客户端的数据:").strip()if not to_client_data:print("输入的数据不能为空!")continueif to_client_data == "q":print("当前连接已断开!")conn.send(to_client_data.encode()) # 编码二进制数据breakexcept Exception as e:break
# 【7】最后关闭连接(close)
conn.close()
server_socket.close()
import socket
from conf import settings# 【1】客户端初始化一个Socket
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_STREAM:连接模式是TCP协议的流式模式
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)# 【2】连接服务器
client_socket.connect(settings.ADDR)
while True:# 【3】客户端直接向服务器端发送数据to_server_data = input("请输入发送给服务端的数据:").strip()if not to_server_data:print("输入的数据不能为空!")continueif to_server_data == "q":print("当前连接已断开!")breakclient_socket.send(to_server_data.encode())# 【4】客户端接收并读取服务端的数据from_server_data = client_socket.recv(1024)if from_server_data == 'q':breakprint(F"这是来自服务端的数据:{from_server_data.decode()}")# 我是来自服务端的数据# 【5】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【八】UDP协议模型
【1】空数据的处理
- TCP协议是水流式协议:传入的数据不能为空,因为水是一直流的,在传输过程中不会对数据进行操作
- UDP协议是数据报协议:传入的数据可为空,在传输过程中UDP会对数据进行内部的拼接和处理
【2】断开链接的影响
- TCP协议是水流式协议:在建立链接过程中,服务端和客户端的链接是一直存在的,断开一方都会对另一方造成影响
- UDP协议是数据报协议:在建立链接过程中,是通过解析对方数据中的ip和端口,再向另一方返回数据的,所以一方发生问题并不会影响到另一方
【3】代码实现
from conf import settings
import socket# 【1】服务器端先初始化socket对象
# 数据报协议 ------> UDP 协议
# AF_INET:当前连接是基于网络的套接字
# SOCK_DGRAM:连接模式是UDP协议的报式模式
server_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)
# 【2】然后与本地端口和ip绑定(bind)
server_socket.bind(settings.ADDR)
# 【3】服务端接收并读取客户端数据
from_client_data, addr = server_socket.recvfrom(1024) # 1024个字节
print(f'来自客户端的消息:{from_client_data.decode()}') # 解码二进制数据
# 我是来自客户端的数据
print(f"addr;{addr}")
# addr;('127.0.0.1', 60561)while True:# 【4】服务端返回给客户端数据# #只能发送二进制数据to_client_data = input('请输入消息:')server_socket.sendto(to_client_data.encode(), addr) # 编码二进制数据
# 最后关闭连接(close)
server_socket.close()
from conf import settings
import socket# 【1】客户端初始化一个socket对象
client_socket = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)
while True:# 【2】客户端直接向服务器端发送数据to_client_data = input("请输入消息:")client_socket.sendto(to_client_data.encode(), settings.ADDR)# 【3】客户端接收并读取服务端的数据from_server_data, addr = client_socket.recvfrom(1024)print(f'来自服务端的消息:{from_server_data.decode()}')print(f"addr:{addr}")# addr:('127.0.0.7', 8080)# 【6】最后关闭连接(close)
client_socket.close()
【九】端口冲突问题
【1】问题所在
- 有时候重启服务端后会出现报错:[Errno 48] Address already in use
- 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
【2】解决办法
(1)方法一
#加入一条socket配置,重用ip和端口socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #在bind前加
socket.bind(('127.0.0.1',8080))
(2)方法二
- 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
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
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
- 然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。
/sbin/sysctl -p