小白學習之路，網絡編程（上）

一，計算機網絡基礎

在講網絡編程以前，先跟你們簡單的介紹一下一些網絡相關的知識。

在最先以前，兩臺電腦之間通訊是經過電腦的mac地址找到對方，並實現相互通訊。固然每臺電腦都只存在惟一的mac地址，在生產時就已經固定了。後來慢慢的想用一個相似編號的來代替mac地址，也是後來的ip地址。ip地址能夠看出是由四個點分十進制構成，因爲一個佔8位，最大爲255，因此ip地址中最大能夠表示爲255.255.255.255，最小爲0.0.0.0。固然這是ipv4，隨着如今愈來愈多的計算機，因此出現了ipv6，讓更多的計算機能夠分配到本身固有的ip地址。ipv6跟ipv4差很少，只是是由六個點分十進制構成的。講到ip地址，其中127.0.0.0/8被用做迴環地址，迴環地址表示本機的地址，經常使用於對本機的測試，用的最多的是127.0.0.1。其中經過ip地址找到mac地址是經過Arp協議找到的。子網掩碼跟你的ip地址進行按位與運算就能得出一個機器所在的網段。

一個ip地址可以找到一個固體的計算機，而後端口就表示你計算機具體運行的那個程序。端口號的範圍在0-65535，咱們通常選擇用8000之後的端口號。一些應用默認端口號有8000-酷狗音樂 ，22-ssh ，3306-mysql，oracle-1521，redis-6379，RabbitMQ-15672等等。因此固然知道惟一的ip跟端口號，就能肯定一個計算機上的惟一應用。

網絡層次劃分

爲了使不一樣計算機廠家生產的計算機可以相互通訊，以便在更大的範圍內創建計算機網絡，國際標準化組織（ISO）在1978年提出了「開放系統互聯參考模型」，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它將計算機網絡體系結構的通訊協議劃分爲七層，自下而上依次爲：物理層（Physics Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）、網絡層（Network Layer）、傳輸層（Transport Layer）、會話層（Session Layer）、表示層（Presentation Layer）、應用層（Application Layer）。其中第四層完成數據傳送服務，上面三層面向用戶。

　　除了標準的OSI七層模型之外，常見的網絡層次劃分還有TCP/IP四層協議以及TCP/IP五層協議，它們之間的對應關係以下圖所示：

固然咱們在這裏具體對Tcp/ip5層模型就行介紹。每一個層對應的協議流程關係圖以下：

TCP/UDP協議

TCP是面向鏈接的通訊協議，經過三次握手創建鏈接，通信完成時要拆除鏈接，因爲TCP是面向鏈接的因此只能用於端到端的通信。TCP提供的是一種可靠的數據流服務，採用「帶重傳的確定確認」技術來實現傳輸的可靠性。TCP還採用一種稱爲「滑動窗口」的方式進行流量控制，所謂窗口實際表示接收能力，用以限制發送方的發送速度。

UDP與TCP位於同一層，但它無論數據包的順序、錯誤或重發。所以，UDP不被應用於那些使用虛電路的面向鏈接的服務，UDP主要用於那些面向查詢---應答的服務，例如NFS。相對於FTP或Telnet，這些服務須要交換的信息量較小。

使用TCP的協議：FTP（文件傳輸協議）、Telnet（遠程登陸協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、POP3（和SMTP相對，用於接收郵件）、HTTP協議等。

使用UDP協議包括：TFTP（簡單文件傳輸協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）、DNS（域名解析協議）、NFS、BOOTP。

在談到TCP的時候你們可能就很快能想到三次握手，四次揮手，我用個人理解來分析一下怎麼回事。

簡單講呢，其實就是兩個之間創建通訊，你也能夠理解爲挖一條鏈接兩個地方的通道。

TCP是因特網中的傳輸層協議，使用三次握手協議創建鏈接。當主動方發出SYN鏈接請求後，等待對方回答SYN+ACK[1]，並最終對對方的 SYN 執行 ACK 確認。這種創建鏈接的方法能夠防止產生錯誤的鏈接。[1] TCP三次握手的過程以下： 客戶端發送SYN（SEQ=x）報文給服務器端，進入SYN_SEND狀態。 服務器端收到SYN報文，迴應一個SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）報文，進入SYN_RECV狀態。 客戶端收到服務器端的SYN報文，迴應一個ACK(ACK=y+1）報文，進入Established狀態。 三次握手完成，TCP客戶端和服務器端成功地創建鏈接，能夠開始傳輸數據了。

當應用程序但願經過 TCP 與另外一個應用程序通訊時，它會發送一個通訊請求。這個請求必須被送到一個確切的地址。在雙方「握手」以後，TCP 將在兩個應用程序之間創建一個全雙工 (full-duplex) 的通訊。

下面是方便理解的版本。畫的比較醜，emmm，只有將就看。

有人就會想，爲何是三次握手四次揮手，不是三次揮手呢。好吧，其實最開始我也是這樣想的。

創建一個鏈接須要三次握手，而終止一個鏈接要通過四次握手，這是由TCP的半關閉（half-close）形成的。
(1) 某個應用進程首先調用close，稱該端執行「主動關閉」（active close）。該端的TCP因而發送一個FIN分節，表示數據發送完畢。
(2) 接收到這個FIN的對端執行 「被動關閉」（passive close），這個FIN由TCP確認。
注意：FIN的接收也做爲一個文件結束符（end-of-file）傳遞給接收端應用進程，放在已排隊等候該應用進程接收的任何其餘數據以後，由於，FIN的接收意味着接收端應用進程在相應鏈接上再無額外數據可接收。
(3) 一段時間後，接收到這個文件結束符的應用進程將調用close關閉它的套接字。這致使它的TCP也發送一個FIN。
(4) 接收這個最終FIN的原發送端TCP（即執行主動關閉的那一端）確認這個FIN。
既然每一個方向都須要一個FIN和一個ACK，所以一般須要4個分節。
注意：
(1) 「一般」是指，某些狀況下，步驟1的FIN隨數據一塊兒發送，另外，步驟2和步驟3發送的分節都出自執行被動關閉那一端，有可能被合併成一個分節。
(2) 在步驟2與步驟3之間，從執行被動關閉一端到執行主動關閉一端流動數據是可能的，這稱爲「半關閉」（half-close）。
(3) 當一個Unix進程不管自願地（調用exit或從main函數返回）仍是非自願地（收到一個終止本進程的信號）終止時，全部打開的描述符都被關閉，這也致使仍然打開的任何TCP鏈接上也發出一個FIN。
不管是客戶仍是服務器，任何一端均可以執行主動關閉。一般狀況是，客戶執行主動關閉，可是某些協議，例如，HTTP/1.0卻由服務器執行主動關閉。

 UDP協議

　　當應用程序但願經過UDP與一個應用程序通訊時，傳輸數據以前源端和終端不創建鏈接。

　　當它想傳送時就簡單地去抓取來自應用程序的數據，並儘量快地把它扔到網絡上。

TCP與UDP比較

TCP---傳輸控制協議,提供的是面向鏈接、可靠的字節流服務。當客戶和服務器彼此交換數據前，必須先在雙方之間創建一個TCP鏈接，以後才能傳輸數據。TCP提供超時重發，丟棄重複數據，檢驗數據，流量控制等功能，保證數據能從一端傳到另外一端。
UDP---用戶數據報協議，是一個簡單的面向數據報的運輸層協議。UDP不提供可靠性，它只是把應用程序傳給IP層的數據報發送出去，可是並不能保證它們能到達目的地。因爲UDP在傳輸數據報前不用在客戶和服務器之間創建一個鏈接，且沒有超時重發等機制，故而傳輸速度很快。

二，c/s，b/s架構

1，c/s架構

C/S 架構是一種典型的兩層架構，其全稱是Client/Server，即客戶端服務器端架構。

其客戶端包含一個或多個在用戶的電腦上運行的程序，而服務器端有兩種，一種是數據庫服務器端，客戶端經過數據庫鏈接訪問服務器端的數據；另外一種是Socket服務器端，服務器端的程序經過Socket與客戶端的程序通訊。

C/S 架構也能夠看作是胖客戶端架構。由於客戶端須要實現絕大多數的業務邏輯和界面展現。這種架構中，做爲客戶端的部分須要承受很大的壓力，由於顯示邏輯和事務處理都包含在其中，經過與數據庫的交互（一般是SQL或存儲過程的實現）來達到持久化數據，以此知足實際項目的須要。

2，b/s架構

 B/S架構的全稱爲Browser/Server，即瀏覽器/服務器結構。

Browser指的是Web瀏覽器，極少數事務邏輯在前端實現，但主要事務邏輯在服務器端實現，Browser客戶端，WebApp服務器端和DB端構成所謂的三層架構。B/S架構的系統無須特別安裝，只有Web瀏覽器便可。

B/S架構中，顯示邏輯交給了Web瀏覽器，事務處理邏輯在放在了WebApp上，這樣就避免了龐大的胖客戶端，減小了客戶端的壓力。由於客戶端包含的邏輯不多，所以也被成爲瘦客戶端。

B/S實際上是屬於C/S中的一種特殊狀況。可是如今隨着internet的發展，不少人習慣於直接訪問網頁，因此B/S也變得更加的流行起來。

三，socket介紹

什麼是socket？

Socket又稱"套接字"，應用程序一般經過"套接字"向網絡發出請求或者應答網絡請求，使主機間或者一臺計算機上的進程間能夠通信。

首先先熟悉一下流程圖，而後根據流程在進行具體的代碼分析。

1，Socket Families(地址簇)

socket.AF_UNIX unix本機進程間通訊 

socket.AF_INET　IPV4　

socket.AF_INET6  IPV6

2，Socket Types（傳輸協議）

socket.SOCK_STREAM  #for tcp

socket.SOCK_DGRAM   #for udp 

3，參數

• family: 套接字家族可使AF_UNIX或者AF_INET
• type: 套接字類型能夠根據是面向鏈接的仍是非鏈接分爲SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM
• protocol: 通常不填默認爲0

Python 中，咱們用 socket（）函數來建立套接字，語法格式以下：

socket.socket([family[, type[, proto]]])，若是裏面不傳參數，默認爲ipv4，TCP協議

4，socket經常使用方法

bind():綁定地址（host,port）到套接字， 在AF_INET下,以元組（host,port）的形式表示地址。

listen():開始TCP監聽。backlog指定在拒絕鏈接以前，操做系統能夠掛起的最大鏈接數量。該值至少爲1，大部分應用程序設爲5就能夠了。

accept() ：被動接受TCP客戶端鏈接,(阻塞式)等待鏈接的到來接受鏈接並返回（conn,addr）,其中conn是新的套接字對象，能夠用來接收和發送數據。addr是鏈接客戶端的地址，

connect():主動初始化TCP服務器鏈接，。通常address的格式爲元組（hostname,port），若是鏈接出錯，返回socket.error錯誤。

recv():接收TCP數據，數據以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大數據量。flag提供有關消息的其餘信息，一般能夠忽略。

send():發送TCP數據，將string中的數據發送到鏈接的套接字。返回值是要發送的字節數量，該數量可能小於string的字節大小。

recvfrom():接收UDP數據，與recv()相似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收數據的字符串，address是發送數據的套接字地址。

sendto():發送UDP數據，將數據發送到套接字，address是形式爲（ipaddr，port）的元組，指定遠程地址。返回值是發送的字節數。

close():關閉套接字

四，簡單的socket使用

前面講的一些網絡知識，其實在寫代碼的過程當中，沒有用到，知識讓你明白流程是如何的。下面就寫一個簡單的socket實現通訊的代碼吧。

服務端（server）

 1 import socket
 2 server=socket.socket()
 3 server.bind(('127.0.0.1',1314))#綁定ip地址跟端口號
 4 server.listen()#打開監聽
 5 conn,addr=server.accept()#接受鏈接並返回（conn,address）,其中conn是新的套接字對象，能夠用來接收和發送數據。address是鏈接客戶端的地址
 6 date=conn.recv(1024)#收到客戶端發來的消息（bytes類型）
 7 print(date.decode())
 8 conn.send('我愛你'.encode())#向客戶端發送消息
 9 conn.close()#關閉與這個客戶端的鏈接
10 server.close()#關閉

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客戶端（client）

1 import socket
2 client=socket.socket()
3 client.connect(('127.0.0.1',1314))#鏈接到這個ip地址和這個端口號
4 client.send(b'gmx')#向服務端發送消息
5 print(client.recv(1024).decode())#收到服務端發來的消息

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固然，這只是最簡單的例子了，咱們明白了基本的道理，能夠在上面的基礎上實現客戶端跟服務端兩個的聊天。

服務端（server）

 1 import socket
 2 server=socket.socket()
 3 server.bind(('127.0.0.1',1314))#綁定ip地址跟端口號
 4 server.listen()#打開監聽
 5 while True:
 6     conn,addr=server.accept()#在一個客戶端斷開，還有其餘的能連
 7     while True:
 8         recv_data=conn.recv(1024)
 9         print('客戶端發來的消息：%s' %recv_data.decode())
10         send_data=input(">>>>")
11         conn.send(send_data.encode())
12     conn.close()
13 server.close()#關閉

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客戶端（client）

 1 import socket
 2 client=socket.socket()
 3 client.connect(('127.0.0.1',1314))#鏈接到這個ip地址和這個端口號
 4 while True:
 5     send_data=input('>>>')
 6     if not send_data:
 7         print('客戶端斷開')
 8         break
 9     client.send(send_data.encode())
10     recv_data = client.recv(1024)
11     print(recv_data.decode())
12 client.close()

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固然前面的兩個例子都是比較簡單的socket通訊。後面咱們會講到作一個簡單的ssh，前面接收的數據只有1024字節，那若是在接收的過程當中，數據量比較大應該怎麼辦呢，還有一種狀況就是若是同時發兩條消息，而後前面的信息沒接收完，後面的又發過去了，就會產生粘包如今，後面咱們會深刻講到網絡通訊的一些東西。