linux网络之数据包的接受过程

linux网络之数据包的接受过程

网卡收包从整体上是网线中的高低电平转换到网卡FIFO存储再拷贝到系统主内存(DDR3)的过程,其中涉及到网卡控制器,CPU,DMA,驱动程序,在OSI模型中属于物理层和链路层,如下图所示。

网卡工作在物理层和数据链路层,主要由PHY/MAC芯片、Tx/Rx FIFO、DMA等组成,其中网线通过变压器接PHY芯片、PHY芯片通过MII接MAC芯片、MAC芯片接PCI总线

PHY芯片主要负责:CSMA/CD、模数转换、编解码、串并转换

MAC芯片主要负责:

比特流和帧的转换:7字节的前导码Preamble和1字节的帧首定界符SFD
CRC校验
Packet Filtering:L2 Filtering、VLAN Filtering、Manageability / Host Filtering
Intel的千兆网卡以82575/82576为代表、万兆网卡以82598/82599为代表

接收数据包是一个复杂的过程,涉及很多底层的技术细节,但大致需要以下几个步骤:

  1. 网卡收到数据包。
  2. 将数据包从网卡硬件缓存转移到服务器内存中。
  3. 通知内核处理。
  4. 经过TCP/IP协议逐层处理。
  5. 应用程序通过read()从socket buffer读取数据。

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网络编程之粘包(代码片段)

 
# 传输层  tcp/udp
    # tcp协议
        # 可靠 面向连接的全双工通信 无边界的字节流 慢 占用操作系统中的连接资源
        # 1.可靠 不是安全,更多的是保证数据的完整性
        # 2.面向连接,必须要先建立连接再进行通信 (三次握手和四次挥手)
        # 3.无边界的字节流,多条tcp数据之间是没有边界的
        # 4.慢 : 通信 建立/断开连接  保证数据完整性的机制
        # 5.占用操作系统中的连接资源(核心要解决的问题) 
    # udp协议
        # 不可靠 无连接 面向数据报 速度快 能够传输的数据长度有限
        # 不会粘包\\速度快\\可以和任意多个客户端互相通信
        # 容易丢失数据\\传输的数据长度有限
# tcp协议 三次握手和四次挥手
    # 三次握手
    # 四次挥手
    # 握手:client先向server端发起SYN请求
    # 为什么挥手是4次
 
 

# tcp协议的粘包现象
# 明确了信息的边界,利用struct模块自定义协议来解决的问题
# 粘包现象的成因:
    # 操作系统中有一个缓存区,
    # 发送方 两条连续发出的短消息会根据tcp协议的合包机制被合在一起发送
    #       一条过长的数据也会根据tcp协议的拆包机制被分成多段数据发送
    # 接收端 所有的数据都会在接收端的缓存区中被合在一起,如果没有及时获取信息,那么消息也会黏在一起
 

  

一、什么是粘包

须知:只有TCP有粘包现象,UDP永远不会粘包

粘包不一定会发生

TCP发生粘包的两种情况:

      1.由于Nagle算法,将多次间隔小且数量小的数据,合并成一个数据块

      2.数据量发送大,接受少

首先需要掌握一个socket收发消息的原理

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。(因为TCP是流式协议,不知道啥时候开始,啥时候结束)。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。

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。

二、发生粘包的两种情况

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,会当做一个包发出去,产生粘包)

from socket import *
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080))
phone.listen(5)
print(\'start running...\')

coon,addr = phone.accept() #等待连接

data1 = coon.recv(10)
data2 = coon.recv(10)

print(\'------------>\',data1.decode(\'utf-8\'))
print(\'------------>\',data2.decode(\'utf-8\'))
coon.close()
phone.close()
服务端
from socket import *
import time
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080))

phone.send(\'hello\'.encode(\'utf-8\'))
phone.send(\'helloworld\'.encode(\'utf-8\'))
phone.close()
客户端

 

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) 

from socket import *
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SOCK_STREAM,1)
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080))
phone.listen(5)
print(\'start running...\')

coon,addr = phone.accept() #等待连接

data1 = coon.recv(2) #一次没有接收完整
data2 = coon.recv(10)  #下一次接收的时候会先取旧的数据,然后取新的
# data3 = coon.recv(1024)  #接收等5秒后的信息
print(\'------------>\',data1.decode(\'utf-8\'))
print(\'------------>\',data2.decode(\'utf-8\'))
# print(\'------------>\',data3.decode(\'utf-8\'))
coon.close()
phone.close()
服务端
from socket import *
import time
phone = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080))

phone.send(\'hello\'.encode(\'utf-8\'))
time.sleep(5)
phone.send(\'haiyan\'.encode(\'utf-8\'))
phone.close()
客户端

 

三、解决粘包的方法

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

import socket
import subprocess
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #阻塞的最大数
print(\'start runing.....\')
while True: #链接循环
    coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
    print(coon,addr)
    while True: #通信循环
        # 收发消息
        cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
        print(\'接收的是:%s\'%cmd.decode(\'utf-8\'))
        #处理过程
        res = subprocess.Popen(cmd.decode(\'utf-8\'),shell = True,
                                          stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
                                          stderr=subprocess.PIPE #标准错误
                                )
        stdout = res.stdout.read()
        stderr = res.stderr.read()
        #先发报头(转成固定长度的bytes类型,那么怎么转呢?就用到了struct模块)
        #len(stdout) + len(stderr)#统计数据的长度
        header = struct.pack(\'i\',len(stdout)+len(stderr))#制作报头
        coon.send(header)
        #再发命令的结果
        coon.send(stdout)
        coon.send(stderr)
    coon.close()
phone.close()
服务端
import socket
import struct
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080)) #连接服
while True:
    # 发收消息
    cmd = input(\'请你输入命令>>:\').strip()
    if not cmd:continue
    phone.send(cmd.encode(\'utf-8\')) #发送
    #先收报头
    header_struct = phone.recv(4) #收四个
    unpack_res = struct.unpack(\'i\',header_struct)
    total_size = unpack_res[0]  #总长度
    #后收数据
    recv_size = 0
    total_data=b\'\'
    while recv_size<total_size: #循环的收
        recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
        recv_size+=len(recv_data) #
        total_data+=recv_data #
    print(\'返回的消息:%s\'%total_data.decode(\'gbk\'))
phone.close()
客户端

 

四、解决粘包问题升级版:完整的解决了

import socket
import subprocess
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind((\'127.0.0.1\',8080)) #绑定手机卡
phone.listen(5) #阻塞的最大数
print(\'start runing.....\')
while True: #链接循环
    coon,addr = phone.accept()# 等待接电话
    print(coon,addr)
    while True: #通信循环
        # 收发消息
        cmd = coon.recv(1024) #接收的最大数
        print(\'接收的是:%s\'%cmd.decode(\'utf-8\'))
        #处理过程
        res = subprocess.Popen(cmd.decode(\'utf-8\'),shell = True,
                                          stdout=subprocess.PIPE, #标准输出
                                          stderr=subprocess.PIPE #标准错误
                                )
        stdout = res.stdout.read()
        stderr = res.stderr.read()
        # 制作报头
        header_dic = 
            \'total_size\': len(stdout)+len(stderr),  # 总共的大小
            \'filename\': None,
            \'md5\': None
        
        header_json = json.dumps(header_dic) #字符串类型
        header_bytes = header_json.encode(\'utf-8\')  #转成bytes类型(但是长度是可变的)
        #先发报头的长度
        coon.send(struct.pack(\'i\',len(header_bytes))) #发送固定长度的报头
        #再发报头
        coon.send(header_bytes)
        #最后发命令的结果
        coon.send(stdout)
        coon.send(stderr)
    coon.close()
phone.close()
服务端
import socket
import struct
import json
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect((\'127.0.0.1\',8080)) #连接服务器
while True:
    # 发收消息
    cmd = input(\'请你输入命令>>:\').strip()
    if not cmd:continue
    phone.send(cmd.encode(\'utf-8\')) #发送
    #先收报头的长度
    header_len = struct.unpack(\'i\',phone.recv(4))[0]  #吧bytes类型的反解
    #在收报头
    header_bytes = phone.recv(header_len) #收过来的也是bytes类型
    header_json = header_bytes.decode(\'utf-8\')   #拿到json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\']  #就拿到数据的总长度了
    #最后收数据
    recv_size = 0
    total_data=b\'\'
    while recv_size<total_size: #循环的收
        recv_data = phone.recv(1024) #1024只是一个最大的限制
        recv_size+=len(recv_data) #有可能接收的不是1024个字节,或许比1024多呢,
        # 那么接收的时候就接收不全,所以还要加上接收的那个长度
        total_data+=recv_data #最终的结果
    print(\'返回的消息:%s\'%total_data.decode(\'gbk\'))
phone.close()
客户端

 

五、struct模块

#该模块可以把一个类型,如数字,转成固定长度的bytes类型
import struct
res = struct.pack(\'i\',12345)
print(res,len(res),type(res))  #长度是4

res2 = struct.pack(\'i\',12345111)
print(res,len(res),type(res2))  #长度也是4

unpack_res =struct.unpack(\'i\',res2)
print(unpack_res)  #(12345111,)
print(unpack_res[0]) #12345111

struct
struct
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作者:smartvxworks