网络编程（socket，套接字）
网络编程
一、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。
二、osi 七层协议
互联网协议按照功能不同分为osi七层或者 tcp/ip 五层 或者 tcp/ip四层
每层运行常见物理设备
1、tcp/ip 五层模型讲解
我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议
就理解了整个互联网通信的原理。
首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最 下一层开始切入，比较好理解
每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件
（1）物理层
由来上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网
物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0
（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
数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式。
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
ethernet规定
- 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’
- 每一数据帧分成：报头head和数据data两部分
| head | data |
head包含：(固定18个字节)
- 发送者／源地址，6个字节
- 接收者／目标地址，6个字节
- 数据类型，6个字节
data包含：(最短46字节，最长1500字节)
- 数据包的具体内容
head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送
mac地址：
head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址
mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）
广播：
有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）
ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼
网络层：
由来：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是由
一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。
mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关
网络层功能：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
ip协议
- 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
- 范围0.0.0.0-255.255.255.255
- 一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1
注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网
子网掩码
”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。
知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
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。
传输层
传输层的由来：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，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，
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，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。
传输层功能：建立端口到端口的通信
补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口
tcp协议：
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。
| 以太网头 | ip 头 | tcp头 | 数据 |
udp协议：
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。
| 以太网头 | ip头 | udp头 | 数据 |
应用层
应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式
应用层功能：规定应用程序的数据格式。
三、socket
为何学习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
socket层
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。
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。
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
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)
套接字工作流程
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
socket()模块函数用法
import socket socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0) 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。 获取tcp/ip套接字 tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 获取udp/ip套接字 udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) 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。 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
简单套接字实例：
#服务端
import socket
# 1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#2、绑定手机卡
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
# 3、开机
phone.listen(5)
print('starting...')
#4、等电话连接
conn,addr=phone.accept()
print('IP:%s,PORT:%s' %(addr[0],addr[1]))
#5、收发消息,最大收1024
data=conn.recv(1024)
conn.send(data.upper())
#6、挂电话
conn.close()
#7、关机
phone.close()
#客户端
import socket
#1、买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#2、打电话
phone.connect(('127.0.0.1',8080))
#3、发收消息
phone.send('hello'.encode('utf-8'))
data=phone.recv(1024)
print(data.decode('utf-8'))
#4、挂电话
phone.close()
加循环实例：
import socket
#1、先买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #SOCK_STREAM指的是TCP协议
#2、绑定电话卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind(('127.0.0.1',8082)) #0-65535,1-1024系统占用
#3、开机
phone.listen(5)
#4、等电话
print('starting....')
while True: #链接循环
conn,addr=phone.accept() #(conn,client_addr)
print(addr)
#5、收发消息
while True: #通信循环
try:
# print('======>ready recv')
data=conn.recv(1024) #1024最大接收的字节数
# print('====>recv: ',data)
conn.send(data.upper())
except ConnectionResetError:
break
#6、挂电话
conn.close()
#7、关机
phone.close()
import socket
#1、先买手机
phone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #SOCK_STREAM指的是TCP协议
#2、打电话
phone.connect(('127.0.0.1',8082)) #0-65535,1-1024系统占用
#3、发收消息
while True:
msg=input('>>: ').strip()
if not msg:continue
phone.send(msg.encode('utf-8'))
# print('has send')
data=phone.recv(1024)
# print('has recv')
print(data.decode('utf-8'))
#4、关闭
phone.close()
当端口占用时
#加入一条socket配置，重用ip和端口
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
phone.bind(('127.0.0.1',8080))
TCP
（1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
（2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
（A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
（B）ACK：确认序号有效。
（C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
（D）RST：重置连接。
（E）SYN：发起一个新连接。
（F）FIN：释放一个连接。
需要注意的是：
（A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
（B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。
3次握手（面试）
所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：
syn=1：发起请求
seq：序列号
ack=1+j：确认请求
（1）第一次握手：
Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
（2）第二次握手：
Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
（3）第三次握手：
Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。
SYN攻击：
在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：
#netstat-nap | grep SYN_RECV
4次挥手过程
四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：
由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。
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。
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。
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。
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。
上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：
(1) 三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。
(2) 为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？