29_网络编程-黏包

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一、黏包成因
    
TCP(transport control protocol,传输控制协议)是面向连接的,面向流的,提供高可靠性服务。
收发两端(客户端和服务器端)都要有一一成对的socket,因此,发送端为了将多个发往接收端的包,更有效的发到对方,使用了优化方法(Nagle算法),将多次间隔较小且数据量小的数据,合并成一个大的数据块,然后进行封包。
这样,接收端,就难于分辨出来了,必须提供科学的拆包机制。 即面向流的通信是无消息保护边界的。
对于空消息:tcp是基于数据流的,于是收发的消息不能为空,这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制,防止程序卡住,而udp是基于数据报的,即便是你输入的是空内容(直接回车),也可以被发送,udp协议会帮你封装上消息头发送过去。
可靠黏包的tcp协议: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。
基于tcp的套接字客户端往服务端上传文件,发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的,在接收方看了,根本不知道该文件的字节流从何处开始,在何处结束
此外,发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的,TCP为提高传输效率,发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少,通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去,这样接收方就收到了粘包数据。
 
总结:黏包直接原因是接收方不知道消息的界限 不知道一次性提取多少数据;根本原因是tcp自身为提供效率,TCP会根据 优化算法 把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去,这样接收方就收到了粘包数据
 
    只有TCP会黏包,UDP永远不会黏包(udp基于数据报的,但会出现接收数据超出自己设置的范围)
    粘包不一定会发生,如果发生了:1.可能是在客户端已经粘了    2.客户端没有粘,可能是在服务端粘了
socket数据传输过程中的用户态与内核态说明
你的程序实际上无权直接操作网卡的,你操作网卡都是通过操作系统给用户程序暴露出来的接口,那每次你的程序要给远程发数据时,其实是先把数据从用户态copy到内核态,这样的操作是耗资源和时间的,频繁的在内核态和用户态之前交换数据势必会导致发送效率降低, 因此socket 为提高传输效率,发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一次数据给对方。若连续几次需要send的数据都很少,通常TCP socket 会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去,这样接收方就收到了粘包数据。
 
发送端可以是一K一K地发送数据,而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据,当然也有可能一次提走3K或6K数据,或者一次只提走几个字节的数据。
也就是说,应用程序所看到的数据是一个整体,或说是一个流(stream),一条消息有多少字节对应用程序是不可见的,因此TCP协议是面向流的协议,这也是容易出现粘包问题的原因。
而UDP是面向消息的协议,每个UDP段都是一条消息,应用程序必须以消息为单位提取数据,不能一次提取任意字节的数据,这一点和TCP是很不同的。
怎样定义消息呢?可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息,需要明白的是当对方send一条信息的时候,无论底层怎样分段分片,TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区。
 
    UDP永远不会黏包
 
UDP(user datagram protocol,用户数据报协议)是无连接的,面向消息的,提供高效率服务。
不会使用块的合并优化算法,, 由于UDP支持的是一对多的模式,所以接收端的skbuff(套接字缓冲区)采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包,在每个UDP包中就有了消息头(消息来源地址,端口等信息),这样,对于接收端来说,就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的。
对于空消息:tcp是基于数据流的,于是收发的消息不能为空,这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制,防止程序卡住,而udp是基于数据报的,即便是你输入的是空内容(直接回车),也可以被发送,udp协议会帮你封装上消息头发送过去。
不可靠不黏包的udp协议:udp的recvfrom是阻塞的,一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendinto(y),收完了x个字节的数据就算完成,若是y;x数据就丢失,这意味着udp根本不会粘包,但是会丢数据,不可靠。
 
用UDP协议发送时,用sendto函数最大能发送数据的长度为:65535- IP头(20) – UDP头(8)=65507字节。用sendto函数发送数据时,如果发送数据长度大于该值,则函数会返回错误。(丢弃这个包,不进行发送)
 
用TCP协议发送时,由于TCP是数据流协议,因此不存在包大小的限制(暂不考虑缓冲区的大小),这是指在用send函数时,数据长度参数不受限制。而实际上,所指定的这段数据并不一定会一次性发送出去,如果这段数据比较长,会被分段发送,如果比较短,可能会等待和下一次数据一起发送。
 
2、发生黏包的两种情况
 
    (1) 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

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 from socket import *
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 
 5 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 6 tcp_socket_server.bind(ip_port)
 7 tcp_socket_server.listen(5)
 8 
 9 conn,addr=tcp_socket_server.accept()
10 
11 data1=conn.recv(10)
12 data2=conn.recv(10)
13 
14 print('----->',data1.decode('utf-8'))
15 print('----->',data2.decode('utf-8'))
16 
17 conn.close()
 
    客户端

1 import socket
2 BUFSIZE=1024
3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
4 
5 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
6 res=s.connect_ex(ip_port)
7 
8 s.send('hello'.encode('utf-8'))
9 s.send('egg'.encode('utf-8'))
    (2) 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

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 from socket import *
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 
 5 tcp_socket_server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 6 tcp_socket_server.bind(ip_port)
 7 tcp_socket_server.listen(5)
 8 
 9 
10 conn,addr=tcp_socket_server.accept()
11 
12 
13 data1=conn.recv(2) #一次没有收完整
14 data2=conn.recv(10)#下次收的时候,会先取旧的数据,然后取新的
15 
16 print('----->',data1.decode('utf-8'))
17 print('----->',data2.decode('utf-8'))
18 
19 conn.close()
 
    客户端

1 #_*_coding:utf-8_*_
2 import socket
3 BUFSIZE=1024
4 ip_port=('127.0.0.1',8080)
5 
6 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
7 res=s.connect_ex(ip_port)
8 
9 s.send('hello egg'.encode('utf-8'))
总结:
    黏包现象只发生在tcp协议中:
    1.从表面上看,黏包问题主要是因为发送方和接收方的缓存机制、tcp协议面向流通信的特点。
    2.实际上,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
 
二、黏包解决方案一
    
    问题的根源在于,接收端不知道发送端将要传送的字节流的长度,所以解决粘包的方法就是围绕,如何让发送端在发送数据前,把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓,然后接收端来一个死循环接收完所有数据。
    存在的问题:程序的运行速度远快于网络传输速度,所以在发送一段字节前,先用send去发送该字节流长度,这种方式会放大网络延迟带来的性能损耗
    服务端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 import socket,subprocess
 3 ip_port=('127.0.0.1',8080)
 4 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 5 s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
 6 
 7 s.bind(ip_port)
 8 s.listen(5)
 9 
10 while True:
11     conn,addr=s.accept()
12     print('客户端',addr)
13     while True:
14         msg=conn.recv(1024)
15         if not msg:break
16         res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,\
17                             stdin=subprocess.PIPE,\
18                          stderr=subprocess.PIPE,\
19                          stdout=subprocess.PIPE)
20         err=res.stderr.read()
21         if err:
22             ret=err
23         else:
24             ret=res.stdout.read()
25         data_length=len(ret)
26         conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
27         data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
28         if data == 'recv_ready':
29             conn.sendall(ret)
30     conn.close()

    客户端

 1 #_*_coding:utf-8_*_
 2 import socket,time
 3 s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 4 res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))
 5 
 6 while True:
 7     msg=input('>>: ').strip()
 8     if len(msg) == 0:continue
 9     if msg == 'quit':break
10 
11     s.send(msg.encode('utf-8'))
12     length=int(s.recv(1024).decode('utf-8'))
13     s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
14     send_size=0
15     recv_size=0
16     data=b''
17     while recv_size < length:
18         data+=s.recv(1024)
19         recv_size+=len(data)
20 
21     print(data.decode('utf-8'))

 


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