python-初始网络编程

 一、服务端和客户端

BS架构 （腾讯通软件：server+client）

CS架构 （web网站）

 

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

 

二、OSI七层网络模型

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

 

 

每层运行常见物理设备

 

 

在网络历史的早期，国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)共同出版了开放系统互联的七层参考模型。一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求(在协议栈的顶部)到网络介质(底部) ，OSI参考模型把功能分成七个分立的层次。图1表示了OSI分层模型。

　　┌───────┐
　　│　应用层　│←第七层
　　├───────┤
　　│　表示层　│
　　├───────┤
　　│　会话层　│
　　├───────┤
　　│　传输层　│
　　├───────┤
　　│　网络层　│
　　├───────┤
　　│数据链路层│
　　├───────┤
　　│　物理层　│←第一层
　　└───────┘ 
　　图1 OSI七层参考模型

第一层 物理层
作用：负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话。

协议：如最常用的RS-232规范、10BASE-T的曼彻斯特编码以及RJ-45就属于第一层。

第二层 数据链路层
作用：数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。

协议：ATM，FDDI等。 

第三层 网络层
作用：这层对端到端的包传输进行定义，他定义了能够标识所有结点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。

协议：IP,IPX等

第四层 传输层
作用：传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流控、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。流控管理设备之间的数据传输，确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据；多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上；虚电路由传输层建立、维护和终止；差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构；而差错恢复包括所采取的行动（如请求数据重发），以便解决发生的任何错误。

协议：TCP，UDP，SPX。

第五层 会话层
作用：会话层建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话。通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答，这些请求与应答通过会话层的协议实现。它还包括创建检查点，使通信发生中断的时候可以返回到以前的一个状态。

协议：RPC，SQL等

第六层 表示层
作用：这一层的主要功能是定义数据格式及加密。

协议：FTP,加密

第七层 应用层
作用：应用层是最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。注意，应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成，而是由向应用程序提供访问网络资源的API（Application Program Interface，应用程序接口）组成，这类应用软件程序超出了OSI模型的范畴。应用层的功能一般包括标识通信伙伴、定义资源的可用性和同步通信。因为可能丢失通信伙伴，应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性。定义资源可用性时，应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源。在同步通信中，所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作。
协议：telnet，HTTP,FTP,WWW,NFS,SMTP等。

学习socket一定要先学习互联网协议：

1.首先：本节课程的目标就是教会你如何基于socket编程，来开发一款自己的C/S架构软件

2.其次：C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的

3.然后：网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。

4.最后：就让我们从这些标准开始研究，开启我们的socket编程之旅

 

 

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。

 

三、socket层，不懂看图就明白了。

Socket是介于应用层和传输层之间。

 

 

 

四、socket是什么

　　Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。

 扫盲篇：

1 将socket说成ip+port，ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序，ip地址是配置到网卡上的，而port是应用程序开启的，ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序
2 
3 而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识（Google Chrome会有多个PID）

 

五、套接字发展史及分类

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。 

 

1、基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

 

2、基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INET

(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

 

六、套接字工作流程

      生活中的场景，你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。    

生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

 

　　先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

 

1、socket模块发送和接收消息

示例：模拟发送消息和接收消息的过程

tcp服务端（server）

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-      
 3 #Author: nulige
 4  
 5 import socket
 6                              
 7 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  #买手机
 8 phone.bind(('127.0.0.1',8000))  #绑定手机卡   #改成服务端网卡IP地址和端口
 9 phone.listen(5)  #开机  5的作用是最大挂起连接数   #backlog连接池（也叫半链接）
10 print('------------->')
11 conn,addr=phone.accept()  #等电话
12 
13 msg=conn.recv(1024)  #收消息
14 print('客户端发来的消息是：',msg)
15 conn.send(msg.upper())  #发消息
16 
17 conn.close()
18 phone.close()

执行结果：

1 ------------->

tcp客户端(client)

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-      
 3 #Author: nulige
 4  
 5 import socket
 6 
 7 phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
 8 
 9 phone.connect(('127.0.0.1',8000)) #拔通电话   #改成服务端网卡IP地址和端口
10 
11 phone.send('hello'.encode('utf-8'))  #发消息
12 data=phone.recv(1024)
13 print('收到服务端的发来的消息: ',data)
14 
15 phone.close()

执行结果：

1 收到服务端的发来的消息:  b'HELLO'

2、tcp三次握手和四次挥手

主动断开连接 ：FIN_WAIT_1
被动断开连接： FIN_WAIT_2
马上断开连接： TIME_WAIT

 

socket中TCP的三次握手建立连接详解

流程如下：

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再向服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

                    图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

 

socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

                 图2、socket中发送的TCP四次握手

图示过程如下：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

 

总结：

四次挥手断开连接原则：

记住一条原则：谁先发起客户端请求，谁先断开连接
但是在大并发情况下，大部分都是服务端先断开连接，不会保留连接。因为每一分钟都有很多人在访问网站。

 

3、socket()模块函数用法

 1 import socket
 2 socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
 3 socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。
 4 
 5 获取tcp/ip套接字
 6 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 7 
 8 获取udp/ip套接字
 9 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
10 
11 由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
12 例如tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

 

服务端套接字函数

s.bind()     绑定(主机,端口号)到套接字
s.listen()    开始TCP监听
s.accept() 被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来

客户端套接字函数
s.connect()                       主动初始化TCP服务器连接
s.connect_ex() connect()  函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共用途的套接字函数
s.recv()         接收TCP数据
s.send()        发送TCP数据(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)
s.sendall()     发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)
s.recvfrom()  接收UDP数据
s.sendto()     发送UDP数据
s.getpeername()   连接到当前套接字的远端的地址
s.getsockname()   当前套接字的地址
s.getsockopt()      返回指定套接字的参数
s.setsockopt()       设置指定套接字的参数
s.close()               关闭套接字

面向锁的套接字方法
s.setblocking()   设置套接字的阻塞与非阻塞模式
s.settimeout()    设置阻塞套接字操作的超时时间
s.gettimeout()    得到阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字的函数
s.fileno()        套接字的文件描述符
s.makefile()   创建一个与该套接字相关的文件

 

七、基于TCP的套接字

tcp语法格式：

tcp服务端

1 ss = socket()  #创建服务器套接字
2 ss.bind()      #把地址绑定到套接字
3 ss.listen()    #监听链接
4 inf_loop:      #服务器无限循环
5     cs = ss.accept()  #接受客户端链接
6     comm_loop:        #通讯循环
7         cs.recv()/cs.send()  #对话(接收与发送)
8     cs.close()    #关闭客户端套接字
9 ss.close()        #关闭服务器套接字(可选)

tcp客户端

1 cs = socket()    #创建客户套接字
2 cs.connect()     #尝试连接服务器
3 comm_loop:       #通讯循环
4     cs.send()/cs.recv()  #对话(发送/接收)
5 cs.close()               #关闭客户套接字

 

1、基于tcp实现：客户端发送空格，服务端也会接收

示例：

tcp_server端

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-      
 3 #Author: nulige
 4 
 5 from socket import *
 6 
 7 ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
 8 back_log = 5
 9 buffer_size = 1024
10 
11 tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
12 tcp_server.bind(ip_port)
13 tcp_server.listen(back_log)
14 
15 print('服务端开始运行了')
16 conn, addr = tcp_server.accept()  #服务器阻塞
17 print('双向链接是', conn)
18 print('客户端地址', addr)
19 
20 while True:
21     data = conn.recv(buffer_size)    #收缓存为空，则阻塞
22     print('客户端发来的消息是', data.decode('utf-8'))
23     conn.send(data.upper())
24 conn.close()
25 
26 tcp_server.close()

tcp_client端

 1 #!/usr/bin/env python
 2 # -*- coding:utf-8 -*-      
 3 #Author: nulige
 4 
 5 from socket import *
 6 
 7 ip_port = ('127.0.0.1', 8080)
 8 back_log = 5
 9 buffer_size = 1024
10 
11 tcp_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
12 tcp_client.connect(ip_port)
13 
14 while True:
15     msg = input('>>:')          #发送空格到自己的发送缓存中
16     # msg=input('>>:').strip()  #去掉空格
17     tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
18     print('客户端已经发送消息')
19     data = tcp_client.recv(buffer_size)  #收缓存为空则阻塞
20     print('收到服务端发来的消息是', data.decode('utf-8'))
21 
22 tcp_client.close()