初识python网络编程

作者: BerL1n | 来源:发表于2018-11-21 15:35 被阅读104次

1.了解TCP/IP协议

Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

TCP/IP协议是主机接入互网以及接入互联网的两台机器通信的标准，是一個通信合同，比如有两台机器，A 主机和 B 主机，它们两者之间只是根据合同上的标准来工作就可以啦。TCP/IP 有4层架构：

image.png

应用层

运输层

网络层

网络接口层

2.OSI七层架构

七层模型，亦称OSI（Open System Interconnection）参考模型，是参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系。它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。

分层：

应用层 (Application)：
网络服务与最终用户的一个接口。

协议有：HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP

表示层（Presentation Layer）：
数据的表示、安全、压缩。（在五层模型里面已经合并到了应用层）

格式有，JPEG、ASCll、DECOIC、加密格式等

会话层（Session Layer）：
建立、管理、终止会话。（在五层模型里面已经合并到了应用层）

对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话

传输层 (Transport)：
定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。

协议有：TCP UDP，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层

网络层 (Network)：
进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。

协议有：ICMP IGMP IP（IPV4 IPV6） ARP RARP

数据链路层 (Link)：
建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能。（由底层网络定义协议）

将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。

物理层（Physical Layer）：
建立、维护、断开物理连接。（由底层网络定义协议）

3.TCP的三段握手和四次断开

相对于SOCKET开发者,TCP创建过程和链接折除过程是由TCP/IP协议栈自动创建的.因此开发者并不需要控制这个过程.但是对于理解TCP底层运作机制,相当有帮助.

TCP三次握手

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息.在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

image

第一次握手:
客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

第二次握手:
服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时，将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的I S N加1以.即X+1。

第三次握手.
客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写ISN的+1

TCP四次断开

TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

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（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

4.socket

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.
说白了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。

注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示“打开了一个网络链接”，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。

image.png

TCP编程

TCP连接简图：三次握手，数据传输，四次挥手

image

socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

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（断开）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四次握手断开

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。

5. Python3 网络编程

Python 提供了两个级别访问的网络服务。：

低级别的网络服务支持基本的 Socket，它提供了标准的 BSD Sockets API，可以访问底层操作系统Socket接口的全部方法。
高级别的网络服务模块 SocketServer，它提供了服务器中心类，可以简化网络服务器的开发。

什么是 Socket?

Socket又称"套接字"，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求，使主机间或者一台计算机上的进程间可以通讯。

socket和file的区别：

file模块是针对某个指定文件进行【打开】【读写】【关闭】
socket模块是针对服务器端和客户端Socket 进行【打开】【读写】【关闭】

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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。

socket()函数

Python 中，我们用 socket（）函数来创建套接字，语法格式如下：

socket.socket([family[, type[, proto]]])

参数
family: 套接字家族可以使AF_UNIX或者AF_INET
type: 套接字类型可以根据是面向连接的还是非连接分为SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM
protocol: 一般不填默认为0.

Socket 对象(内建)方法

函数	描述
-	服务端套接字
s.bind()	绑定地址（host,port）到套接字，在AF_INET下,以元组（host,port）的形式表示地址。
s.listen()	开始TCP监听。backlog指定在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量。该值至少为1，大部分应用程序设为5就可以了。
s.accept()	被动接受TCP客户端连接,(阻塞式)等待连接的到来
-	客户端套接字
s.connect()	主动初始化TCP服务器连接，。一般address的格式为元组（hostname,port），如果连接出错，返回socket.error错误。
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，数据以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大数据量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
s.send()	发送TCP数据，将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。
s.sendall()	完整发送TCP数据，完整发送TCP数据。将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。
s.recvform()	接收UDP数据，与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。
s.sendto()	发送UDP数据，将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。
s.close()	关闭套接字
s.getpeername()	返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。
s.getsockname()	返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
s.setsockopt(level,optname,value)	设置给定套接字选项的值。
s.getsockopt(level,optname[.buflen])	返回套接字选项的值。
s.settimeout(timeout)	设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如connect()）
s.gettimeout()	返回当前超时期的值，单位是秒，如果没有设置超时期，则返回None。
s.fileno()	返回套接字的文件描述符。
s.setblocking(flag)	如果flag为0，则将套接字设为非阻塞模式，否则将套接字设为阻塞模式（默认值）。非阻塞模式下，如果调用recv()没有发现任何数据，或send()调用无法立即发送数据，那么将引起socket.error异常。
s.makefile()	创建一个与该套接字相关连的文件

简单实例

服务端

我们使用 socket 模块的 socket 函数来创建一个 socket 对象。socket 对象可以通过调用其他函数来设置一个 socket 服务。

现在我们可以通过调用 bind(hostname, port) 函数来指定服务的 port(端口)。

接着，我们调用 socket 对象的 accept 方法。该方法等待客户端的连接，并返回 connection 对象，表示已连接到客户端。

完整代码如下：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 文件名：server.py

import socket               # 导入 socket 模块

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)         # 创建 socket 对象
host = socket.gethostname() # 获取本地主机名
port = 12345               # 设置端口
s.bind((host, port))        # 绑定端口

s.listen(5)                 # 设置最大连接数，超过后排队，等待客户端连接
while True:
    c, addr = s.accept()     # 建立客户端连接。
    print ("连接地址: %s" % str(addr))

    msg = '欢迎访问python教程！' + "\r\n"

    c.send(msg.encode('utf-8'))
    c.close()                # 关闭连接

客户端

接下来我们写一个简单的客户端实例连接到以上创建的服务。端口号为 12345。

socket.connect(hosname, port ) 方法打开一个 TCP 连接到主机为 hostname 端口为 port 的服务商。连接后我们就可以从服务端后期数据，记住，操作完成后需要关闭连接。

完整代码如下：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 文件名：client.py

import socket               # 导入 socket 模块

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)         # 创建 socket 对象
host = socket.gethostname() # 获取本地主机名
port = 12345                # 设置端口号

s.connect((host, port))  # 连接服务，指定主机和端口

msg = s.recv(1024)   # 接收小于 1024 字节的数据
s.close()

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

先执行server端，然后打开client端就能看到结果,再看server端就会显示ip地址

client端：

image.png

server端：

image.png

实例二：

服务端

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 文件名：server.py

import socket               # 导入 socket 模块


phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1',8000)) #绑定手机卡
phone.listen(5)
print('---------')
while True:
    conn,addr=phone.accept()  #等电话

    print("电话线路是",conn)
    print("客户端的手机号是",addr)
    while True:  #通讯循环
        try:
            msg=conn.recv(1024)  #收消息
            if not msg:break
            print('客户端发来的消息是：',msg.decode('utf-8'))
            conn.send(msg.upper())#发消息
        except Exception:
            break
    conn.close()
phone.close()

客户端

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 文件名：client.py

import socket               # 导入 socket 模块

phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
phone.connect(('127.0.0.1',8000))
while True:
    msg=input(">>>:").strip()
    if not msg: continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))  #发送给服务端的消息
    data=phone.recv(1024)
    print('收到服务端发来的消息',data.decode('utf-8'))
phone.close()

先开启服务端，再开启客户端，发送信息

客户端信息：

image.png

服务端信息：

image.png

参考文档：
https://www.cnblogs.com/jcchoiling/p/5929640.html
https://www.cnblogs.com/baomanji/p/6802731.html
https://www.cnblogs.com/zhangyux/p/6109284.html
https://www.imooc.com/article/17052

初识python网络编程

1.了解TCP/IP协议

应用层

运输层

网络层

网络接口层

2.OSI七层架构

3.TCP的三段握手和四次断开

TCP三次握手

TCP四次断开

4.socket

TCP编程

socket中TCP的三次握手建立连接详解

socket中TCP的四次握手释放（断开）连接详解

5. Python3 网络编程

什么是 Socket?

socket()函数

Socket 对象(内建)方法

简单实例

服务端

客户端

实例二：

服务端

客户端

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