python中socket網(wǎng)絡(luò)編程之粘包的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)python中socket網(wǎng)絡(luò)編程之粘包的示例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一，粘包問題詳情

1，只有TCP有粘包現(xiàn)象，UDP永遠不會粘包

你的程序?qū)嶋H上無權(quán)直接操作網(wǎng)卡的，你操作網(wǎng)卡都是通過操作系統(tǒng)給用戶程序暴露出來的接口，那每次你的程序要給遠程發(fā)數(shù)據(jù)時，其實是先把數(shù)據(jù)從用戶態(tài)copy到內(nèi)核態(tài)，這樣的操作是耗資源和時間的，頻繁的在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之前交換數(shù)據(jù)勢必會導(dǎo)致發(fā)送效率降低， 因此socket 為提高傳輸效率，發(fā)送方往往要收集到足夠多的數(shù)據(jù)后才發(fā)送一次數(shù)據(jù)給對方。若連續(xù)幾次需要send的數(shù)據(jù)都很少，通常TCP socket 會根據(jù)優(yōu)化算法把這些數(shù)據(jù)合成一個TCP段后一次發(fā)送出去，這樣接收方就收到了粘包數(shù)據(jù)。

2，首先需要掌握一個socket收發(fā)消息的原理

發(fā)送端可以是1k，1k的發(fā)送數(shù)據(jù)而接受端的應(yīng)用程序可以2k，2k的提取數(shù)據(jù)，當(dāng)然也有可能是3k或者多k提取數(shù)據(jù)，也就是說，應(yīng)用程序是不可見的，因此TCP協(xié)議是面來那個流的協(xié)議，這也是容易出現(xiàn)粘包的原因而UDP是面向無連接的協(xié)議，每個UDP段都是一條消息，應(yīng)用程序必須以消息為單位提取數(shù)據(jù)，不能一次提取任一字節(jié)的數(shù)據(jù)，這一點和TCP是很同的。怎樣定義消息呢？認為對方一次性write/send的數(shù)據(jù)為一個消息，需要命的是當(dāng)對方send一條信息的時候，無論鼎城怎么樣分段分片，TCP協(xié)議層會把構(gòu)成整條消息的數(shù)據(jù)段排序完成后才呈現(xiàn)在內(nèi)核緩沖區(qū)。    

例如基于TCP的套接字客戶端往服務(wù)器端上傳文件，發(fā)送時文件內(nèi)容是按照一段一段的字節(jié)流發(fā)送的，在接收方看來更笨不知道文件的字節(jié)流從何初開始，在何處結(jié)束。

3，粘包的原因

3-1 直接原因

所謂粘包問題主要還是因為接收方不知道消息之間的界限，不知道一次性提取多少字節(jié)的數(shù)據(jù)所造成的

3-2  根本原因

發(fā)送方引起的粘包是由TCP協(xié)議本身造成的，TCP為提高傳輸效率，發(fā)送方往往要收集到足夠多的數(shù)據(jù)后才發(fā)送一個TCP段。若連續(xù)幾次需要send的數(shù)據(jù)都很少，通常TCP會根據(jù) 優(yōu)化算法 把這些數(shù)據(jù)合成一個TCP段后一次發(fā)送出去，這樣接收方就收到了粘包數(shù)據(jù)。

3-3 總結(jié)

1.  TCP（transport control protocol，傳輸控制協(xié)議）是面向連接的，面向流的，提供高可靠性服務(wù)。收發(fā)兩端（客戶端和服務(wù)器端）都要有一一成對的socket，因此，發(fā)送端為了將多個發(fā)往接收端的包，更有效的發(fā)到對方，使用了優(yōu)化方法（Nagle算法），將多次間隔較小且數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)，合并成一個大的數(shù)據(jù)塊，然后進行封包。這樣，接收端，就難于分辨出來了，必須提供科學(xué)的拆包機制。 即面向流的通信是無消息保護邊界的。

2. UDP（user datagram protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是無連接的，面向消息的，提供高效率服務(wù)。不會使用塊的合并優(yōu)化算法，, 由于UDP支持的是一對多的模式，所以接收端的skbuff(套接字緩沖區(qū)）采用了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來記錄每一個到達的UDP包，在每個UDP包中就有了消息頭（消息來源地址，端口等信息），這樣，對于接收端來說，就容易進行區(qū)分處理了。  即面向消息的通信是有消息保護邊界的。

3. tcp是基于數(shù)據(jù)流的，于是收發(fā)的消息不能為空，這就需要在客戶端和服務(wù)端都添加空消息的處理機制，防止程序卡住，而udp是基于數(shù)據(jù)報的，即便是你輸入的是空內(nèi)容（直接回車），那也不是空消息，udp協(xié)議會幫你封裝上消息頭，實驗略

udp的recvfrom是阻塞的，一個recvfrom(x)必須對唯一一個sendinto(y),收完了x個字節(jié)的數(shù)據(jù)就算完成,若是y>x數(shù)據(jù)就丟失，這意味著udp根本不會粘包，但是會丟數(shù)據(jù)，不可靠

tcp的協(xié)議數(shù)據(jù)不會丟，沒有收完包，下次接收，會繼續(xù)上次繼續(xù)接收，己端總是在收到ack時才會清除緩沖區(qū)內(nèi)容。數(shù)據(jù)是可靠的，但是會粘包。

二，兩種情況下會發(fā)生粘包：

1，發(fā)送端需要等到本機的緩沖區(qū)滿了以后才發(fā)出去，造成粘包（發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔很短，數(shù)據(jù)很小，python使用了優(yōu)化算法，合在一起，產(chǎn)生粘包）

客戶端

#_*_coding:utf-8_*_
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)
s.send('hello'.encode('utf-8'))
s.send('feng'.encode('utf-8'))

服務(wù)端

#_*_coding:utf-8_*_
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',8080)
tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)
conn,addr=tcp_socket_server.accept()
data1=conn.recv(10)
data2=conn.recv(10)
print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))
conn.close()

2，接收端不及時接受緩沖區(qū)的包，造成多個包接受（客戶端發(fā)送一段數(shù)據(jù)，服務(wù)端只收了一小部分，服務(wù)端下次再收的時候還是從緩沖區(qū)拿上次遺留的數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生粘包） 客戶端

#_*_coding:utf-8_*_
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)
s.send('hello feng'.encode('utf-8'))

服務(wù)端

#_*_coding:utf-8_*_
from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',8080)
tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_socket_server.bind(ip_port)
tcp_socket_server.listen(5)
conn,addr=tcp_socket_server.accept()
data1=conn.recv(2) #一次沒有收完整
data2=conn.recv(10)#下次收的時候,會先取舊的數(shù)據(jù),然后取新的
print('----->',data1.decode('utf-8'))
print('----->',data2.decode('utf-8'))
conn.close()

三，粘包實例：

服務(wù)端

import socket
import subprocess
din=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ip_port=('127.0.0.1',8080)
din.bind(ip_port)
din.listen(5)
conn,deer=din.accept()
data1=conn.recv(1024)
data2=conn.recv(1024)
print(data1)
print(data2)

客戶端：

import socket
import subprocess
din=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ip_port=('127.0.0.1',8080)
din.connect(ip_port)
din.send('helloworld'.encode('utf-8'))
din.send('sb'.encode('utf-8'))

四，拆包的發(fā)生情況

當(dāng)發(fā)送端緩沖區(qū)的長度大于網(wǎng)卡的MTU時，tcp會將這次發(fā)送的數(shù)據(jù)拆成幾個數(shù)據(jù)包發(fā)送過去

補充問題一：為何tcp是可靠傳輸，udp是不可靠傳輸

關(guān)于tcp傳輸請參考： https://www.jb51.net/network/176867.html

tcp在數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送端先把數(shù)據(jù)發(fā)送到自己的緩存中，然后協(xié)議控制將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)往對端，對端返回一個ack=1，發(fā)送端則清理緩存中的數(shù)據(jù)，對端返回ack=0，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，所以tcp是可靠的

而udp發(fā)送數(shù)據(jù)，對端是不會返回確認信息的，因此不可靠

補充問題二：send（字節(jié)流）和recv(1024）及sendall是什么意思？

recv里指定的1024意思是從緩存里一次拿出1024個字節(jié)的數(shù)據(jù)

send的字節(jié)流是先放入己端緩存，然后由協(xié)議控制將緩存內(nèi)容發(fā)往對端，如果字節(jié)流大小大于緩存剩余空間，那么數(shù)據(jù)丟失，用sendall就會循環(huán)調(diào)用send，數(shù)據(jù)不會丟失。

五，粘包問題如何解決？

問題的根源在于，接收端不知道發(fā)送端將要傳送的字節(jié)流的長度，所以解決粘包的方法就是圍繞，如何讓發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)前，把自己將要發(fā)送的字節(jié)流總大小讓接收端知曉，然后接收端來一個死循環(huán)接收完所有數(shù)據(jù)。

 5-1  簡單的解決方法（從表面解決）：

在客戶端發(fā)送下邊添加一個時間睡眠，就可以避免粘包現(xiàn)象。在服務(wù)端接收的時候也要進行時間睡眠，才能有效的避免粘包情況。

客戶端：

#客戶端
import socket
import time
import subprocess
din=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ip_port=('127.0.0.1',8080)
din.connect(ip_port)
din.send('helloworld'.encode('utf-8'))
time.sleep(3)
din.send('sb'.encode('utf-8'))

服務(wù)端：

#服務(wù)端
import socket
import time
import subprocess
din=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
ip_port=('127.0.0.1',8080)
din.bind(ip_port)
din.listen(5)
conn,deer=din.accept()
data1=conn.recv(1024)
time.sleep(4)
data2=conn.recv(1024)
print(data1)
print(data2)

上面解決方法肯定會出現(xiàn)很多紕漏，因為你不知道什么時候傳輸完，時間暫停的長短都會有問題，長的話效率低，短的話不合適，所以這種方法是不合適的。

5-2 普通的解決方法（從根本看問題）：

問題的根源在于，接收端不知道發(fā)送端將要傳送的字節(jié)流的長度，所以解決粘包的方法就是圍繞，如何讓發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)前，把自己將要發(fā)送的字節(jié)流總大小讓接收端知曉，然后接收端來一個死循環(huán)接收完所有數(shù)據(jù)

為字節(jié)流加上自定義固定長度報頭，報頭中包含字節(jié)流長度，然后依次send到對端，對端在接受時，先從緩存中取出定長的報頭，然后再取真是數(shù)據(jù)。

使用struct模塊對打包的長度為固定4個字節(jié)或者八個字節(jié)，struct.pack.format參數(shù)是“i”時，只能打包長度為10的數(shù)字，那么還可以先將長度轉(zhuǎn)化為json字符串，再打包。

普通的客戶端

# _*_ coding: utf-8 _*_ 
import socket
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8880)) #連接服
while True:
 # 發(fā)收消息
 cmd = input('請你輸入命令>>：').strip()
 if not cmd:continue
 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #發(fā)送

 #先收報頭
 header_struct = phone.recv(4) #收四個
 unpack_res = struct.unpack('i',header_struct)
 total_size = unpack_res[0] #總長度

 #后收數(shù)據(jù)
 recv_size = 0
 total_data=b''
 while recv_size<total_size: #循環(huán)的收
  recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一個最大的限制
  recv_size+=len(recv_data) #
  total_data+=recv_data #
 print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
phone.close()

普通的服務(wù)端

# _*_ coding: utf-8 _*_ 
import socket
import subprocess
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #買手機
phone.bind(('127.0.0.1',8880)) #綁定手機卡
phone.listen(5) #阻塞的最大數(shù)
print('start runing.....')
while True: #鏈接循環(huán)
 coon,addr = phone.accept()# 等待接電話
 print(coon,addr)
 while True: #通信循環(huán)

  # 收發(fā)消息
  cmd = coon.recv(1024) #接收的最大數(shù)
  print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))

  #處理過程

  res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
           stdout=subprocess.PIPE, #標(biāo)準(zhǔn)輸出
           stderr=subprocess.PIPE #標(biāo)準(zhǔn)錯誤
        )
  stdout = res.stdout.read()
  stderr = res.stderr.read()

  #先發(fā)報頭(轉(zhuǎn)成固定長度的bytes類型，那么怎么轉(zhuǎn)呢？就用到了struct模塊)
  #len(stdout) + len(stderr)#統(tǒng)計數(shù)據(jù)的長度
  header = struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr))#制作報頭
  coon.send(header)

  #再發(fā)命令的結(jié)果
  coon.send(stdout)
  coon.send(stderr)
 coon.close()
phone.close()

5-3 優(yōu)化版的解決方法（從根本解決問題）

優(yōu)化的解決粘包問題的思路就是服務(wù)端將報頭信息進行優(yōu)化，對要發(fā)送的內(nèi)容用字典進行描述，首先字典不能直接進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，需要進行序列化轉(zhuǎn)成json格式化字符串，然后轉(zhuǎn)成bytes格式服務(wù)端進行發(fā)送，因為bytes格式的json字符串長度不是固定的，所以要用struct模塊將bytes格式的json字符串長度壓縮成固定長度，發(fā)送給客戶端，客戶端進行接受，反解就會得到完整的數(shù)據(jù)包。

終極版的客戶端

# _*_ coding: utf-8 _*_ 
import socket
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8080)) #連接服務(wù)器
while True:
 # 發(fā)收消息
 cmd = input('請你輸入命令>>：').strip()
 if not cmd:continue
 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #發(fā)送

 #先收報頭的長度
 header_len = struct.unpack('i',phone.recv(4))[0] #吧bytes類型的反解

 #在收報頭
 header_bytes = phone.recv(header_len) #收過來的也是bytes類型
 header_json = header_bytes.decode('utf-8') #拿到j(luò)son格式的字典
 header_dic = json.loads(header_json) #反序列化拿到字典了
 total_size = header_dic['total_size'] #就拿到數(shù)據(jù)的總長度了

 #最后收數(shù)據(jù)
 recv_size = 0
 total_data=b''
 while recv_size<total_size: #循環(huán)的收
  recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一個最大的限制
  recv_size+=len(recv_data) #有可能接收的不是1024個字節(jié)，或許比1024多呢，
  # 那么接收的時候就接收不全，所以還要加上接收的那個長度
  total_data+=recv_data #最終的結(jié)果
 print('返回的消息：%s'%total_data.decode('gbk'))
phone.close()

終極版的服務(wù)端

# _*_ coding: utf-8 _*_ 
import socket
import subprocess
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #買手機
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8080)) #綁定手機卡
phone.listen(5) #阻塞的最大數(shù)
print('start runing.....')
while True: #鏈接循環(huán)
 coon,addr = phone.accept()# 等待接電話
 print(coon,addr)

 while True: #通信循環(huán)
  # 收發(fā)消息
  cmd = coon.recv(1024) #接收的最大數(shù)
  print('接收的是：%s'%cmd.decode('utf-8'))

  #處理過程
  res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell = True,
           stdout=subprocess.PIPE, #標(biāo)準(zhǔn)輸出
           stderr=subprocess.PIPE #標(biāo)準(zhǔn)錯誤
        )
  stdout = res.stdout.read()
  stderr = res.stderr.read()

  # 制作報頭
  header_dic = {
   'total_size': len(stdout)+len(stderr), # 總共的大小
   'filename': None,
   'md5': None
  }
  header_json = json.dumps(header_dic) #字符串類型
  header_bytes = header_json.encode('utf-8') #轉(zhuǎn)成bytes類型(但是長度是可變的)

  #先發(fā)報頭的長度
  coon.send(struct.pack('i',len(header_bytes))) #發(fā)送固定長度的報頭

  #再發(fā)報頭
  coon.send(header_bytes)

  #最后發(fā)命令的結(jié)果
  coon.send(stdout)
  coon.send(stderr)
 coon.close()
phone.close()

六，struct模塊

了解c語言的人，一定會知道struct結(jié)構(gòu)體在c語言中的作用，它定義了一種結(jié)構(gòu)，里面包含不同類型的數(shù)據(jù)(int,char,bool等等)，方便對某一結(jié)構(gòu)對象進行處理。而在網(wǎng)絡(luò)通信當(dāng)中，大多傳遞的數(shù)據(jù)是以二進制流（binary data）存在的。當(dāng)傳遞字符串時，不必擔(dān)心太多的問題，而當(dāng)傳遞諸如int、char之類的基本數(shù)據(jù)的時候，就需要有一種機制將某些特定的結(jié)構(gòu)體類型打包成二進制流的字符串然后再網(wǎng)絡(luò)傳輸，而接收端也應(yīng)該可以通過某種機制進行解包還原出原始的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)。python中的struct模塊就提供了這樣的機制，該模塊的主要作用就是對python基本類型值與用python字符串格式表示的C struct類型間的轉(zhuǎn)化（This module performs conversions between Python values and C structs represented as Python strings.）。stuct模塊提供了很簡單的幾個函數(shù)，下面寫幾個例子。

1，基本的pack和unpack

struct提供用format specifier方式對數(shù)據(jù)進行打包和解包（Packing and Unpacking）。例如:

#該模塊可以把一個類型，如數(shù)字，轉(zhuǎn)成固定長度的bytes類型
import struct
# res = struct.pack('i',12345)
# print(res,len(res),type(res)) #長度是4
res2 = struct.pack('i',12345111)
print(res2,len(res2),type(res2)) #長度也是4
unpack_res =struct.unpack('i',res2)
print(unpack_res) #(12345111,)
# print(unpack_res[0]) #12345111

代碼中，首先定義了一個元組數(shù)據(jù)，包含int、string、float三種數(shù)據(jù)類型，然后定義了struct對象，并制定了format‘I3sf'，I 表示int，3s表示三個字符長度的字符串，f 表示 float。最后通過struct的pack和unpack進行打包和解包。通過輸出結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，value被pack之后，轉(zhuǎn)化為了一段二進制字節(jié)串，而unpack可以把該字節(jié)串再轉(zhuǎn)換回一個元組，但是值得注意的是對于float的精度發(fā)生了改變，這是由一些比如操作系統(tǒng)等客觀因素所決定的。打包之后的數(shù)據(jù)所占用的字節(jié)數(shù)與C語言中的struct十分相似。

2,定義format可以參照官方api提供的對照表：

3，基本用法

import json,struct
#假設(shè)通過客戶端上傳1T:1073741824000的文件a.txt
#為避免粘包,必須自定制報頭
header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T數(shù)據(jù),文件路徑和md5值

#為了該報頭能傳送,需要序列化并且轉(zhuǎn)為bytes
head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并轉(zhuǎn)成bytes,用于傳輸

#為了讓客戶端知道報頭的長度,用struck將報頭長度這個數(shù)字轉(zhuǎn)成固定長度:4個字節(jié)
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #這4個字節(jié)里只包含了一個數(shù)字,該數(shù)字是報頭的長度

#客戶端開始發(fā)送
conn.send(head_len_bytes) #先發(fā)報頭的長度,4個bytes
conn.send(head_bytes) #再發(fā)報頭的字節(jié)格式
conn.sendall(文件內(nèi)容) #然后發(fā)真實內(nèi)容的字節(jié)格式

#服務(wù)端開始接收
head_len_bytes=s.recv(4) #先收報頭4個bytes,得到報頭長度的字節(jié)格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取報頭的長度
head_bytes=s.recv(x) #按照報頭長度x,收取報頭的bytes格式
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取報頭

#最后根據(jù)報頭的內(nèi)容提取真實的數(shù)據(jù),比如
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

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