Python 黏包及黏包解决方案

粘包现象

　　

　　说粘包之前，我们先说两个内容，1.缓冲区、2.windows下cmd窗口调用系统指令

　　 1 缓冲区（下面粘包现象的图里面还有关于缓冲区的解释）

　　　　

　　　　

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：

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

输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K，可以通过 getsockopt() 函数获取：

1.unsigned optVal;
2.int optLen = sizeof(int);
3.getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF,(char*)&optVal, &optLen);
4.printf("Buffer length: %d\n", optVal);

socket缓冲区解释

 

粘包现象（两种）

　　　　先上图：（本图是我做出来为了让小白同学有个大致的了解用的，其中很多地方更加的复杂，那就需要将来大家有多余的精力的时候去做一些深入的研究了，这里我就不带大家搞啦）

　　　　

 

　　　　关于MTU大家可以看看这篇文章 https://yq.aliyun.com/articles/222535  还有百度百科 MTU百科

　　　　MTU简单解释：

MTU是Maximum Transmission Unit的缩写。意思是网络上传送的最大数据包。MTU的单位是字节。 大部分网络设备的MTU都是1500个字节，也就是1500B。如果本机一次需要发送的数据比网关的MTU大，大的数据包就会被拆开来传送，这样会产生很多数据包碎片，增加丢包率，降低网络速度

 

　　　　关于上图中提到的Nagle算法等建议大家去看一看Nagle算法、延迟ACK、linux下的TCP_NODELAY和TCP_CORK，这些内容等你们把python学好以后再去研究吧，网络的内容实在太多啦，也就是说大家需要努力的过程还很长，加油！

　　

　　超出缓冲区大小会报下面的错误，或者udp协议的时候，你的一个数据包的大小超过了你一次recv能接受的大小，也会报下面的错误，tcp不会，但是超出缓存区大小的时候，肯定会报这个错误。

 

 　　

TCP会粘包、UDP永远不会粘包

　　　　看下面的解释原因：

　　　

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。

例如基于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

所谓粘包问题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。

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。

    1.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。
    2.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。
    3.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），那也不是空消息，udp协议会帮你封装上消息头，实验略
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

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。

解释原因

　　补充两个问题：　

补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输

    tcp在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以tcp是可靠的。
    而udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠

补充问题二：send(字节流)和sendall

    send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失，一般的小数据就用send，因为小数据也用sendall的话有些影响代码性能，简单来讲就是还多while循环这个代码呢。
　　

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。

　　

 

　　粘包的原因： 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

 　　　　

　　学到这里，我们留一个小作业（做不做是你的事情，我的事情是真心的教会你，希望你尊重自己的努力）：实现一个简单的网盘功能。

　　　　

粘包的解决方案

　　 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，然后接收端发一个确认消息给发送端，然后发送端再发送过来后面的真实内容，接收端再来一个死循环接收完所有数据。

 　　　　

　　　　看代码示例：

　　　　　　server端代码　

import socket,subprocess
ip_port=('127.0.0.1',8080)
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

s.bind(ip_port)
s.listen(5)

while True:
    conn,addr=s.accept()
    print('客户端',addr)
    while True:
        msg=conn.recv(1024)
        if not msg:break
        res=subprocess.Popen(msg.decode('utf-8'),shell=True,\
                            stdin=subprocess.PIPE,\
                         stderr=subprocess.PIPE,\
                         stdout=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        if err:
            ret=err
        else:
            ret=res.stdout.read()
        data_length=len(ret)
        conn.send(str(data_length).encode('utf-8'))
        data=conn.recv(1024).decode('utf-8')
        if data == 'recv_ready':
            conn.sendall(ret)
    conn.close()

tcp_server.py

 　　　　　  client端代码示例

import socket,time
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == 'quit':break

    s.send(msg.encode('utf-8'))
    length=int(s.recv(1024).decode('utf-8'))
    s.send('recv_ready'.encode('utf-8'))
    send_size=0
    recv_size=0
    data=b''
    while recv_size < length:
        data+=s.recv(1024)
        recv_size+=len(data)


    print(data.decode('utf-8'))

tcp_server.py

 　　　　

 

　　 解决方案（二）：

　　　　通过struck模块将需要发送的内容的长度进行打包，打包成一个4字节长度的数据发送到对端，对端只要取出前4个字节，然后对这四个字节的数据进行解包，拿到你要发送的内容的长度，然后通过这个长度来继续接收我们实际要发送的内容。不是很好理解是吧？哈哈，没关系，看下面的解释~~

 　　　   为什么要说一下这个模块呢，因为解决方案（一）里面你发现，我每次要先发送一个我的内容的长度，需要接收端接收，并切需要接收端返回一个确认消息，我发送端才能发后面真实的内容，这样是为了保证数据可靠性，也就是接收双方能顺利沟通，但是多了一次发送接收的过程，为了减少这个过程，我们就要使struck来发送你需要发送的数据的长度，来解决上面我们所说的通过发送内容长度来 解决粘包的问题。

　　　　 关于struck的介绍：

　　　　　　 了解c语言的人，一定会知道struct结构体在c语言中的作用，不了解C语言的同学也没关系，不影响，其实它就是定义了一种结构，里面包含不同类型的数据(int,char,bool等等)，方便对某一结构对象进行处理。而在网络通信当中，大多传递的数据是以二进制流（binary data）存在的。当传递字符串时，不必担心太多的问题，而当传递诸如int、char之类的基本数据的时候，就需要有一种机制将某些特定的结构体类型打包成二进制流的字符串然后再网络传输，而接收端也应该可以通过某种机制进行解包还原出原始的结构体数据。python中的struct模块就提供了这样的机制，该模块的主要作用就是对python基本类型值与用python字符串格式表示的C struct类型间的转化（This module performs conversions between Python values and C structs represented as Python strings.）。

　　　　

　　　　struck模块的使用：struct模块中最重要的两个函数是pack()打包, unpack()解包。

 

　　　　

　　　　pack()：#我在这里只介绍一下'i'这个int类型，上面的图中列举除了可以打包的所有的数据类型，并且struck除了pack和uppack两个方法之外还有好多别的方法和用法，大家以后找时间可以去研究一下，这里我就不做介绍啦，网上的教程很多~~

import struct
a=12
# 将a变为二进制
bytes=struct.pack('i',a) 
-------------------------------------------------------------------------------
struct.pack('i',1111111111111) 如果int类型数据太大会报错struck.error
struct.error: 'i' format requires -2147483648 <= number <= 2147483647 #这个是范围

 

　　　　　　pack方法图解：

　　　　　　

 

　　　　unpack()：

# 注意，unpack返回的是tuple !!

a,=struct.unpack('i',bytes) #将bytes类型的数据解包后，拿到int类型数据

 　　好，到这里我们将struck这个模块将int类型的数据打包成四个字节的方法了，那么我们就来使用它解决粘包吧。

　　先看一段伪代码示例：

import json,struct
#假设通过客户端上传1T:1073741824000的文件a.txt

#为避免粘包,必须自定制报头
header={'file_size':1073741824000,'file_name':'/a/b/c/d/e/a.txt','md5':'8f6fbf8347faa4924a76856701edb0f3'} #1T数据,文件路径和md5值

#为了该报头能传送,需要序列化并且转为bytes，因为bytes只能将字符串类型的数据转换为bytes类型的，所有需要先序列化一下这个字典，字典不能直接转化为bytes
head_bytes=bytes(json.dumps(header),encoding='utf-8') #序列化并转成bytes,用于传输

#为了让客户端知道报头的长度,用struck将报头长度这个数字转成固定长度:4个字节
head_len_bytes=struct.pack('i',len(head_bytes)) #这4个字节里只包含了一个数字,该数字是报头的长度

#客户端开始发送
conn.send(head_len_bytes) #先发报头的长度,4个bytes
conn.send(head_bytes) #再发报头的字节格式
conn.sendall(文件内容) #然后发真实内容的字节格式

#服务端开始接收
head_len_bytes=s.recv(4) #先收报头4个bytes,得到报头长度的字节格式
x=struct.unpack('i',head_len_bytes)[0] #提取报头的长度

head_bytes=s.recv(x) #按照报头长度x,收取报头的bytes格式
header=json.loads(json.dumps(header)) #提取报头

#最后根据报头的内容提取真实的数据,比如
real_data_len=s.recv(header['file_size'])
s.recv(real_data_len)

伪代码（含解释）

 

　　下面看正式的代码：

　　server端代码示例：报头：就是消息的头部信息，我们要发送的真实内容为报头后面的内容。

import socket,struct,json
import subprocess
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #忘了这是干什么的了吧，地址重用？想起来了吗~

phone.bind(('127.0.0.1',8080))
phone.listen(5)
while True:
    conn,addr=phone.accept()
    while True:
        cmd=conn.recv(1024)
        if not cmd:break
        print('cmd: %s' %cmd)
        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
                             shell=True,
                             stdout=subprocess.PIPE,
                             stderr=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        if err:
            back_msg=err
        else:
            back_msg=res.stdout.read()
        conn.send(struct.pack('i',len(back_msg))) #先发back_msg的长度
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容
        #其实就是连续的将长度和内容一起发出去，那么整个内容的前4个字节就是我们打包的后面内容的长度，对吧
        
    conn.close(

tcp_server.py（自定制报头）

 

　　client端代码示例：

import socket,time,struct
s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
res=s.connect_ex(('127.0.0.1',8080))
while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if len(msg) == 0:continue
    if msg == 'quit':break
    s.send(msg.encode('utf-8'))  #发送给一个指令
    l=s.recv(4)     #先接收4个字节的数据，因为我们将要发送过来的内容打包成了4个字节，所以先取出4个字节
    x=struct.unpack('i',l)[0]  #解包，是一个元祖，第一个元素就是我们的内容的长度
    print(type(x),x)
    # print(struct.unpack('I',l))
    r_s=0
    data=b''
    while r_s < x:    #根据内容的长度来继续接收4个字节后面的内容。
        r_d=s.recv(1024)
        data+=r_d
        r_s+=len(r_d)
    # print(data.decode('utf-8'))
    print(data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

tcp_client.py（自定制报头）

 　　

　　复杂一些的代码示例

　　server端：

import socket,struct,json
import subprocess
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

phone.bind(('127.0.0.1',8080))
phone.listen(5)

while True:
    conn,addr=phone.accept()
    while True:
        cmd=conn.recv(1024)
        if not cmd:break
        print('cmd: %s' %cmd)

        res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),
                             shell=True,
                             stdout=subprocess.PIPE,
                             stderr=subprocess.PIPE)
        err=res.stderr.read()
        print(err)
        if err:
            back_msg=err
        else:
            back_msg=res.stdout.read()

        headers={'data_size':len(back_msg)}
        head_json=json.dumps(headers)
        head_json_bytes=bytes(head_json,encoding='utf-8')

        conn.send(struct.pack('i',len(head_json_bytes))) #先发报头的长度
        conn.send(head_json_bytes) #再发报头
        conn.sendall(back_msg) #在发真实的内容

    conn.close()

tcp_server.py

　　client端：

from socket import *
import struct,json

ip_port=('127.0.0.1',8080)
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)

while True:
    cmd=input('>>: ')
    if not cmd:continue
    client.send(bytes(cmd,encoding='utf-8'))

    head=client.recv(4)
    head_json_len=struct.unpack('i',head)[0]
    head_json=json.loads(client.recv(head_json_len).decode('utf-8'))
    data_len=head_json['data_size']

    recv_size=0
    recv_data=b''
    while recv_size < data_len:
        recv_data+=client.recv(1024)
        recv_size+=len(recv_data)

    #print(recv_data.decode('utf-8'))
    print(recv_data.decode('gbk')) #windows默认gbk编码

tcp_client.py

 

 　　其实上面复杂的代码做了个什么事情呢，就是自定制了报头：

　　

　　有同学问：老师，你为啥多次send啊，其实多次send和将数据拼接起来send一次是一样的，因为我们约定好了，你接收的时候先接收4个字节，然后再接收后面的内容。

整个流程的大致解释：
我们可以把报头做成字典，字典里包含将要发送的真实数据的描述信息(大小啊之类的)，然后json序列化，然后用struck将序列化后的数据长度打包成4个字节。
我们在网络上传输的所有数据 都叫做数据包，数据包里的所有数据都叫做报文，报文里面不止有你的数据，还有ip地址、mac地址、端口号等等，其实所有的报文都有报头，这个报头是协议规定的，看一下
发送时：
先发报头长度
再编码报头内容然后发送
最后发真实内容

接收时：
先手报头长度，用struct取出来
根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化
从反序列化的结果中取出待取数据的描述信息，然后去取真实的数据内容