Python 网络编程（4）网络编程基础：C/S架构（五层模型）
网络编程基础：C/S架构
- 1. C/S 架构
- 2. 互联网协议（Internet Protocol Suite）
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- 2.1 物理层
- 2.2 数据链路层
- 2.3 网络层：主机到主机的通信
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- 网络层概述
- IP协议
- IP数据包
- ARP协议
- 2.4 传输层：端口到端口的通信
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- TCP协议
- UDP协议
- socket
- 3. 后续阅读
1. C/S 架构
C指的是client（客户端软件），S指的是Server（服务端软件），C/S架构就是基于网络实现客户端与服务端通信的软件架构，能够实现服务端软件与客户端软件基于网络通信。
2. 互联网协议（Internet Protocol Suite）
网络 = 物理链接介质 + 互联网协议 （之前真的理解了“网络”？）
计算机之间的通信标准，这个标准称之为互联网协议（Internet Protocol Suite），按照功能不同，人们将互联网协议分为 OSI七层 或 TCP/IP五层 或 四层（只需要掌握TCP/IP五层协议即可）。
互联网协议常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称
TCP/IP。因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议)。
如图所示，最下面的一层是物理层/实体层（Physical Layer），最上面的一层叫做应用层（Application Layer）。越靠下越靠近硬件；越靠上越接近用户。
这些层叫什么名称不必细究，只需要明白互联网分为若干层，每一层都是为了完成一种功能。
为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则，即 "协议" （protocol），所有协议的总称叫做互联网协议，它们是互联网的核心。
2.1 物理层
- 由来：计算机之间的通信，必须接入网络，即完成组网。可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式
- 功能：规定了网络的一些电气特性，作用是基于电器特性发送
高电压（1）和低电压（0）(电信号)
2.2 数据链路层
- 由来：单纯的电信号
0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思 - 功能：定义了电信号的分组方式——
以太网协议ethernet
（1）信号分组：ethernet协议
以太网协议： 早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet。
- 一组电信号构成一个数据包，叫‘帧’
- 每一数据帧分成：
报头head和数据data两部分
"标头"（Head）包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等等；
"数据"（Data）则是数据包的具体内容。 "标头"的长度，固定为18字节。"数据"的长度，最短为46字节，最长为1500字节。 因此，整个"帧"最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。
（2）数据标识 ：Mac地址
上面提到，以太网数据包的"标头"，包含了发送者和接受者的信息。而发送者和接受者是通过网卡的地址来进行标识，这个地址也叫Mac地址。
以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。
每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。
前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。
（3）数据传输：广播
- 一块网卡通过
ARP协议知道另一块网卡的地址 - 系统通过
广播（broadcasting）将数据包送到接收方
ethernet采用最原始的方，广播的方式进行通信，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。这种发送方式就叫做**“广播”（broadcasting）**
上图中，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头"，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。
有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。
2.3 网络层：主机到主机的通信
网络层概述
有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网并非是单独的一个超大网络组成，而是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。
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由来：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），
mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关 -
功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址，简称**”网址“**。
"路由"的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。
于是，"网络层"出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。
网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。
IP协议
- 规定网络地址的协议：
IP（Internet protocol）协议 - ip协议定义的地址称之为ip地址，目前，广泛采用的是
IP协议第四版，简称IPv4，它规定网络地址由32位2进制表示。
习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。
但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。
对于IP地址172.16.254.1，可以有以下分法:
- 网络部分：
172；主机部分：16.254.1 - 网络部分：
172.16；主机部分：254.1 - 网络部分：
172.16.254；主机部分：1
这就要用到另一个参数"子网掩码"（subnet mask），所谓"子网掩码"，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。
比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。
总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。
IP数据包
根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息：
不用修改以太网的规格，把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分，以太网数据包就变成了下面这样：
IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此，理论上，一个IP数据包的"数据"部分，最长为65,515字节。
前面说过，以太网数据包的"数据"部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。
ARP协议
因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的（后文会解释），但是我们不知道它的MAC地址。
所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况。
第一种情况，如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的**“网关”（gateway）**，让网关去处理。
第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。
总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。
2.4 传输层：端口到端口的通信
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
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由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序呢？答案就是端口（port），端口即应用程序与网卡关联的编号。
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功能：建立端口到端口的通信
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补充：端口
范围0-65535，0-1023为系统占用端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。
"传输层"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。
只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。
因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。
传输层有两种协议，TCP 和 UDP：
TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。
为什么tcp是可靠的数据传输呢？
最可靠的方式就是只要不得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。
TCP是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。 一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来。
基于tcp协议通信，为何建立链接需要三次握手，而断开链接却需要四次挥手？
因为建立链接时server端的ACK和SYN是一起发的，而断开时，为了保证数据的完整发送到client是分开发送的。
更多可以参考：TCP和UDP的区别
UDP协议
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
UDP，UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接， 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。
更多可以参考：TCP和UDP的区别
- 小结
TCP协议虽然安全性很高，但是网络开销大，而UDP协议虽然没有提供安全机制，但是网络开销小，在现在这个网络安全已经相对较高的情况下，为了保证传输的速率，我们一般还是会优先考虑UDP协议！
socket
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。
套接字的特性由3个属性确定，它们分别是：域、端口号、协议类型。
- 套接字的域：AF_INET、AF_UNIX
- 套接字的端口号：范围是0-65535
- 套接字协议类型：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、原始套接字
具体用法可以看下图，或者点击：Python 网络编程（5）：socket 介绍和使用案例
3. 后续阅读
偶然发现一篇很硬核的文章：
一篇文章带你熟悉 TCP/IP 协议（网络协议篇二）
有空可以好好约阅读。
目录如下：
主要参考：
- Python网络编程总结
- 互联网协议入门（一）——再次遇见阮大佬
- TCP 协议简介——接上面的TCP后续
- 一篇文章带你熟悉 TCP/IP 协议（网络协议篇二）——一篇全面且详细的文章，非常硬核！