Python之路(第三十篇) 網絡編程：socket、tcp/ip協議

1、客戶端/服務器架構

1.硬件C/S架構(打印機)

打印機做爲一個服務端，電腦鏈接打印機進行打印

2.軟件C/S架構

　　互聯網中到處是C/S架構

　　如谷歌網站是服務端，你的瀏覽器是客戶端（B/S架構也是C/S架構的一種）

　　騰訊做爲服務端爲你提供視頻，你得下個騰訊視頻客戶端才能看它的視頻）

C/S架構與socket的關係：

咱們學習socket就是爲了完成C/S架構的開發

 

2、什麼是tcp/ip協議

​ 計算機之間通信須要遵循必定的互聯網協議，好比tcp/ip協議，大量的計算機之間進行通信組成了計算機網絡，網絡的核心即一堆協議，協議即標準，因爲tcp/ip協議太過於複雜，這時須要用socket層對tcp/ip協議進行精簡，提供相應的接口以便更加方便的調用。因此學習socket必定要先學習互聯網協議。

互聯網協議按照功能不一樣分爲osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層

 

每層運行常見物理設備

 

TCP/IP 是一類協議系統，它是用於網絡通訊的一套協議集合，傳統上來講 TCP/IP 被認爲是一個四層協議。

 

1) 網絡接口層:

物理層：主要是指物理層次的一些接口,好比電纜等．

提供計算機互通的物理介質， 基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

數據鏈路層：

定義電信號的分組方式，使用以太網協議封裝數據格式（數據報頭（18個字節雙方地址+數據類型）+數據）

 

2) 網絡層:

提供獨立於硬件的邏輯尋址,實現物理地址與邏輯地址的轉換．

在 TCP / IP 協議族中，網絡層協議包括 IP 協議（網際協議），ICMP 協議（ Internet 互聯網控制報文協議），以及 IGMP 協議（ Internet 組管理協議）.

網絡層引入一套新的地址用來區分不一樣的廣播域／子網，這套地址即網絡地址（IPV4/IPV6）

3) 傳輸層:

爲網絡提供了流量控制,錯誤控制和確認服務.

在　TCP / IP　協議族中有兩個互不相同的傳輸協議： TCP（傳輸控制協議）和 UDP（用戶數據報協議）.

創建端口到端口的通訊（應用軟件使用的端口號）。

4) 應用層:

爲網絡排錯,文件傳輸,遠程控制和　Internet 操做提供具體的應用程序

 

數據包在 TCP / IP　協議中數據先由上往下將數據裝包，而後由下往上拆包

在裝包的時候，每一層都會增長一些信息用於傳輸，這部分信息就叫報頭，當上層的數據到達本層的時候，會將數據加上本層的報頭打包在一塊兒，繼續往下傳遞．

 

 

在拆包的時候，每一層將本層須要的報頭讀取後，就將剩下的數據往上傳．

這個過程有點像俄羅斯套娃，因此有時候人們也會用俄羅斯套娃來形容這個過程.

 

tcp的三次握手四次揮手

 

三次握手：1.客戶端對服務端發送同步請求(創建鏈接通道)；2.服務端響應後，發送同步請求(創建鏈接通道)和發送確認數據(這裏的兩個請求被合併成一個了)；3.客戶端向服務端發送確認數據。

 

四次揮手：1.客戶端發送端口結束包給服務端，2.服務端收到之後返回確認信息給客戶端；3.服務端發送端口結束包給客戶端；4.客戶端確認信息返回給服務端。

 

區別：四次揮手的過程當中，服務端返回給客戶端的確認信息以後不會馬上關閉，有可能會繼續給客戶端發送數據，因此必須得有四次揮手

 

3、socket是什麼

Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口後面，對用戶來講，一組簡單的接口就是所有，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。

因此，咱們無需深刻理解tcp/udp協議，socket已經爲咱們封裝好了，咱們只須要遵循socket的規定去編程，寫出的程序天然就是遵循tcp/udp標準的。

沒有socket以前

 

有socket以後

 

 

爲何socket翻譯爲套接字？

socket中文翻譯爲套接字，socket英文本義爲孔和插座的意思。

 

 

套接字發展史及分類

套接字起源於 20 世紀 70 年代加利福尼亞大學伯克利分校版本的 Unix,即人們所說的 BSD Unix。 所以,有時人們也把套接字稱爲「伯克利套接字」或「BSD 套接字」。一開始,套接字被設計用在同 一臺主機上多個應用程序之間的通信。這也被稱進程間通信,或 IPC。套接字有兩種（或者稱爲有兩個種族）,分別是基於文件型的和基於網絡型的。

*基於文件類型的套接字家族*

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基於文件的套接字調用的就是底層的文件系統來取數據，兩個套接字進程運行在同一機器，能夠經過訪問同一個文件系統間接完成通訊

*基於網絡類型的套接字家族*

套接字家族的名字：AF_INET

還有AF_INET6被用於ipv6，還有一些其餘的地址家族，全部地址家族中，AF_INET是使用最普遍的一個，python支持不少種地址家族.

 

*family(socket家族)*

• socket.AF_UNIX：用於本機進程間通信，爲了保證程序安全，兩個獨立的程序(進程)間是不能互相訪問彼此的內存的，但爲了實現進程間的通信，能夠經過建立一個本地的socket來完成

• socket.AF_INET:(還有AF_INET6被用於ipv6，還有一些其餘的地址家族，不過，他們要麼是隻用於某個平臺，要麼就是已經被廢棄，或者是不多被使用，或者是根本沒有實現，全部地址家族中，AF_INET是使用最普遍的一個，python支持不少種地址家族，可是因爲咱們只關心網絡編程，因此大部分時候我麼只使用AF_INET)

*socket type類型*

• socket.SOCK_STREAM #for tcp

• socket.SOCK_DGRAM #for udp

• socket.SOCK_RAW #原始套接字，普通的套接字沒法處理ICMP、IGMP等網絡報文，而SOCK_RAW能夠；其次，SOCK_RAW也能夠處理特殊的IPv4報文；此外，利用原始套接字，能夠經過IP_HDRINCL套接字選項由用戶構造IP頭。

• socket.SOCK_RDM #是一種可靠的UDP形式，即保證交付數據報但不保證順序。SOCK_RAM用來提供對原始協議的低級訪問，在須要執行某些特殊操做時使用，如發送ICMP報文。SOCK_RAM一般僅限於高級用戶或管理員運行的程序使用。

• socket.SOCK_SEQPACKET #廢棄了

 

套接字工做流程

一個生活中的場景。你要打電話給一個朋友，先撥號，朋友聽到電話鈴聲後提起電話，這時你和你的朋友就創建起了鏈接，就能夠講話了。等交流結束，掛斷電話結束這次交談。 生活中的場景就解釋了這工做原理。

​ 服務器端先初始化Socket，而後與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端鏈接。在這時若是有個客戶端初始化一個Socket，而後鏈接服務器(connect)，若是鏈接成功，這時客戶端與服務器端的鏈接就創建了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，而後把迴應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最後關閉鏈接，一次交互結束.

 

socket函數

服務端套接字函數

• s.bind() 綁定(主機,端口號)到套接字

• s.listen() 開始TCP監聽

• s.accept() 被動接受TCP客戶的鏈接,(阻塞式)等待鏈接的到來

客戶端套接字函數

• s.connect() 主動初始化TCP服務器鏈接

• s.connect_ex() connect()函數的擴展版本,出錯時返回出錯碼,而不是拋出異常

公共用途的套接字函數

• s.recv() 接收數據

• s.send() 發送數據(send在待發送數據量大於己端緩存區剩餘空間時,數據丟失,不會發完，可後面經過實例解釋)

• s.sendall() 發送完整的TCP數據(本質就是循環調用send,sendall在待發送數據量大於己端緩存區剩餘空間時,數據不丟失,循環調用send直到發完)

• s.sendto() 發送UDP數據

• s.recvfrom()接收UDP數據 Receive data from the socket. The return value is a pair (bytes, address)

• s.getpeername() 鏈接到當前套接字的遠端的地址

• s.close() 關閉套接字

• socket.setblocking(flag) #True or False,設置socket爲非阻塞模式，之後講io異步時會用

• socket.getaddrinfo(host, port, family=0, type=0, proto=0, flags=0) 返回遠程主機的地址信息，例子 socket.getaddrinfo('google.com',80)

• socket.getfqdn() 拿到本機的主機名

• socket.gethostbyname() 經過域名解析ip地址

• s.getsockopt() 返回指定套接字的參數

• s.setsockopt() 設置指定套接字的參數

面向鎖的套接字方法

• s.setblocking() 設置套接字的阻塞與非阻塞模式

• s.settimeout() 設置阻塞套接字操做的超時時間

• s.gettimeout() 獲得阻塞套接字操做的超時時間

面向文件的套接字的函數

• s.fileno() 套接字的文件描述符

• s.makefile() 建立一個與該套接字相關的文件

 

 

參考連接

[1]http://www.javashuo.com/article/p-kkrifpzc-r.html

[2]https://www.zhihu.com/question/21383903