0%

计算机网络(1)——socket编程

发表于 更新于 分类于

socket编程

最近做项目，需要了解一些socket编程的相关知识，因为本身在大学的时候也接触过socket编程，但是时间已经很久了，并且当时学的不够用心，今天下午看了一些博客，对socket有了一些新的认识，在这里记录一下我学到的一些知识。

一.什么是socket

什么socket，这里我们要先从osi模型和TCP/IP模型开始讲起，OSI一共包含了7层，其中应用层、表示层和会话层是面向用户的，程序员可以在此基础上进行开发，如http、ftp、SMTP(邮件)等协议就是基于应用层建立的，下面的四层协议是由系统内核封装，对用户不可见的。
upload successful

OSI模型表达的过于复杂，为了简化模型，人们又提出了TCP/IP模型，这种模型将上面的3层模型统一的表示成应用层。
upload successful

为了使数据分组从源传送到目的地，源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，这种通信方式称为对等层通信。在每一层通信过程中，使用本层自己协议进行通信。在进行网络通信的时候如打开一个网页，数据在发送端(这里指客户端)会从上到下进行封装，然后传输到服务端后，数据会自下而上进行解封装。最后获取上层数据。

我们在进行网络通信的过程中，可以使用http这样应用层的协议，但是当没有协议满足我们的需求的时候，我们需要自主与TCP/UDP进行交互，这时候就有了socket，这是建立在传输层上的一个抽象层，帮助我们与tcp/ip建立连接进行通信，我们可以把它看作两个主机进行双向通信的端点。socket主要有3个参数：通信的目的IP地址、使用的传输层协议(TCP或UDP)和使用的端口号。

二. socket工作流程

upload successful
socket是一种打开——读/写——关闭的模式的实现，使用TCP协议进行通讯为例。一共分为服务端socket和客户端socket。服务端socket负责监听客户端连接请求，当客户端发送请求时，两端进行通信。具体流程如下：

  • 1.服务端根据地址类型、socket类型、协议创建socket。
  • 2.服务端为socket绑定ip地址和端口号。
  • 3.服务器socket监听端口号请求，随时准备接受客户端发来的请求，这时候服务器的socket并没有被打开。
  • 4.客户端创建socket
  • 5.客户端打开socket，根据服务器的ip地址和端口号试图连接服务器socket
  • 6.服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端谅解请求。
  • 7.客户端连接成功，向服务端发送连接状态信息。
  • 8.服务器accept方法返回，连接成功
  • 9.客户端向socket写入信息
  • 10.服务器读取信息
  • 11.客户端关闭
  • 12.服务器关闭
1.三次握手

在客户端和服务端建立TCP连接的过程中会发生有名的三次握手

upload successful

第一次握手：客户端会尝试连接服务器，向服务器发送syn包，syn=j，客户端进入syn_send状态等待服务器确认。

第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认(ack=j+1),同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED(已确认)，完成三次握手。

值得强调的是accept()这个方法，内核会创建两个队列，SYN队列和accept队列，其中accept队列的长度由backlog指定。服务器在调用accept之后，阻塞，等待accept队列有元素，当三次握手结束后服务器会把客户端从syn队列转移到accept队列，而accept()被唤醒，从accept队列中取出请求方，重新建立一个socket用于准备发送和接收数据，原来的socket还在监听哪个端口。换一句话说，socket()返回的套接字用于监听(listen)和接受(accept)客户端请求，这个套接字不能用于与客户端之间发送和接受数据。accept()接受一个客户端的连接请求，并返回一个新的套接字。所谓“新的”就是说这个套接字与socket()返回的套接字不是同一个socket。这个新的套接字用于与这次接受的客户端之间的通信。

2.四次握手

当客户端发送信息完毕之后，客户端会与服务端断开连接，此时会发生4次挥手。
upload successful

第一次挥手：先由客户端向服务器端发送一个FIN，请求关闭数据传输。

第二次挥手：当服务器接收到客户端的FIN时，向客户端发送一个ACK，其中ack的值等于FIN+SEQ，此时客户端不再向服务端发送消息，但是服务端还可以向客户端发送信息。

第三次挥手：服务端向客户端发送一个FIN，去告诉客户端关闭应用。

第四次挥手：当客户端收到服务端的FIN时，发送一个ACK给服务器。其中ACK的值等于FIN+SEQ。

三. socket实例

demo1 同步实例

这里我抛出来一些简单的socket的demo，先贴出服务端的

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
from socket import *
from time import ctime

HOST = ''
PORT = 11113
BUFSIZE = 4096
ADDR = (HOST, PORT)

tcpServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcpServer.bind(ADDR)
tcpServer.listen(10)

while 1:
    print('waiting for connection...')
    tcpClient, addr = tcpServer.accept()
    print(addr)

    while 1:
        data = tcpClient.recv(BUFSIZE)
        print(data.decode())

        if not data:
            print('---------')
            break;

        buf = '[' + ctime() + ']' + data.decode()
        tcpClient.send(buf.encode())

    tcpClient.close()
tcpServer.close()

服务端会一直监听11113端口，直到有客户端连接进来，会创建一个新的socket用于交换信息。
下面是客户端的代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
from socket import *
import json

HOST = 'localhost'
PORT = 11113
BUFSIZE = 4096
ADDR = (HOST, PORT)

tcpClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcpClient.connect(ADDR)



while 1:
    data = input('> ')

    if not data:
        break
    tcpClient.send(data.encode())

    data = tcpClient.recv(BUFSIZE)
    print(data.decode())
    if not data:
        break

tcpClient.close()

这个demo基本上涵盖了socket通信的整个流程，但是demo中有一些缺点，因为socket.recv()是阻塞的，所以当服务端执行到recv()的时候，会一直等待，直到客户端发送消息才能够继续往下执行代码。这样的结构对于一些实时性要求比较高的场景很不友好。比如说，我们在用实时的视频流进行监控和一些异常计算，当有异常现象的时候，我们会与巡逻小车进行socket进行通信来处理异常，这就要求我们既要能够实时接收摄像头传来的视频流，又要接巡逻小车发来的指令信号，使用上述的demo作为框架就显得不那么合适了。

2. demo2 异步实例

有一种解决方法就是使用异步通信来解决，这样我们可以对传来的数据进行监听，当监听到有客户端传来请求时，我们会对传来的消息进行解析处理；当客户端没有传来请求时，服务端就会处理自己的事情。在python中可以使用select完成异步通信，下面有一个demo，这里我只抛出来客户端的demo，服务端的异步处理同客户端：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
from socket import *
import json
import time
import select

HOST = 'localhost'
PORT = 6688
BUFSIZE = 4096
ADDR = (HOST, PORT)

tcpClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

tcpClient.connect(ADDR)

input = [tcpClient]
# tcpClient.setblocking(False)
print("["+time.ctime()+"]"  +"发现异常")
data_exchange = {'Position':0, 'CarArrived':False, 'ResetCarPosition':False, 'CarPatrol':False}
data = json.dumps(data_exchange)
tcpClient.send(data.encode())
tcpClient.settimeout(5)

while 1:
    rs, ws, es = select.select(input, [], [], 1)
    for indata in rs:
        if indata == tcpClient:
            data = tcpClient.recv(BUFSIZE)
            if data:
                car_recv = data.decode()
                data_exchange = json.loads(car_recv)
                if data_exchange['CarPatrol'] == True:
                    print("["+time.ctime()+"]"  +"小车已经就绪，重置实验")
                    data_exchange = {'Position':0, 'CarArrived':False, 'ResetCarPosition':False, 'CarPatrol':False}
                elif data_exchange['CarArrived'] == True:
                    print("["+time.ctime()+"]"  +"小车已经到达异常点，开始处理异常")
                    time.sleep(3)
                    print("["+time.ctime()+"]"  +"处理异常结束，小车归位")
                    data_exchange['ResetCarPosition'] = True
                    data = json.dumps(data_exchange)
                    tcpClient.send(data.encode())
    print("1")


tcpClient.close()

参考文献

网络OSI七层模型、TCP/IP模型以及数据发送封装与解封装过程

简单理解Socket

socket中accept()函数的理解