小白学习之路，网络编程（上）

一，计算机网络基础

在讲网络编程之前，先跟大家简单的介绍一下一些网络相关的知识。

在最早之前，两台电脑之间通信是通过电脑的mac地址找到对方，并实现相互通信。当然每台电脑都只存在唯一的mac地址，在生产时就已经固定了。后来慢慢的想用一个类似编号的来代替mac地址，也是后来的ip地址。ip地址可以看出是由四个点分十进制构成，由于一个占8位，最大为255，所以ip地址中最大可以表示为255.255.255.255，最小为0.0.0.0。当然这是ipv4，随着现在越来越多的计算机，所以出现了ipv6，让更多的计算机可以分配到自己固有的ip地址。ipv6跟ipv4差不多，只是是由六个点分十进制构成的。讲到ip地址，其中127.0.0.0/8被用作回环地址，回环地址表示本机的地址，常用于对本机的测试，用的最多的是127.0.0.1。其中通过ip地址找到mac地址是通过Arp协议找到的。子网掩码跟你的ip地址进行按位与运算就能得出一个机器所在的网段。

一个ip地址能够找到一个固体的计算机，然后端口就表示你计算机具体运行的那个程序。端口号的范围在0-65535，我们一般选择用8000以后的端口号。一些应用默认端口号有8000-酷狗音乐 ，22-ssh ，3306-mysql，oracle-1521，redis-6379，RabbitMQ-15672等等。所以当然知道唯一的ip跟端口号，就能确定一个计算机上的唯一应用。

网络层次划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。

　　除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示：

当然我们在这里具体对Tcp/ip5层模型就行介绍。每个层对应的协议流程关系图如下：

TCP/UDP协议

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。

UDP与TCP位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询---应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。

使用TCP的协议：FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（和SMTP相对，用于接收邮件）、HTTP协议等。

使用UDP协议包括：TFTP（简单文件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）、DNS（域名解析协议）、NFS、BOOTP。

在谈到TCP的时候大家可能就很快能想到三次握手，四次挥手，我用我的理解来分析一下怎么回事。

简单讲呢，其实就是两个之间建立通信，你也可以理解为挖一条连接两个地方的通道。

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK[1]，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。[1] TCP三次握手的过程如下： 客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。 服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。 三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

下面是方便理解的版本。画的比较丑，emmm，只有将就看。

有人就会想，为什么是三次握手四次挥手，不是三次挥手呢。好吧，其实最开始我也是这样想的。

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。
(1) 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
(2) 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
(3) 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
(4) 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。
注意：
(1) “通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。
(2) 在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。
(3) 当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。
无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。

 UDP协议

　　当应用程序希望通过UDP与一个应用程序通信时，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。

TCP与UDP比较

TCP---传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。
UDP---用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

二，c/s，b/s架构

1，c/s架构

C/S 架构是一种典型的两层架构，其全称是Client/Server，即客户端服务器端架构。

其客户端包含一个或多个在用户的电脑上运行的程序，而服务器端有两种，一种是数据库服务器端，客户端通过数据库连接访问服务器端的数据；另一种是Socket服务器端，服务器端的程序通过Socket与客户端的程序通信。

C/S 架构也可以看做是胖客户端架构。因为客户端需要实现绝大多数的业务逻辑和界面展示。这种架构中，作为客户端的部分需要承受很大的压力，因为显示逻辑和事务处理都包含在其中，通过与数据库的交互（通常是SQL或存储过程的实现）来达到持久化数据，以此满足实际项目的需要。

2，b/s架构

 B/S架构的全称为Browser/Server，即浏览器/服务器结构。

Browser指的是Web浏览器，极少数事务逻辑在前端实现，但主要事务逻辑在服务器端实现，Browser客户端，WebApp服务器端和DB端构成所谓的三层架构。B/S架构的系统无须特别安装，只有Web浏览器即可。

B/S架构中，显示逻辑交给了Web浏览器，事务处理逻辑在放在了WebApp上，这样就避免了庞大的胖客户端，减少了客户端的压力。因为客户端包含的逻辑很少，因此也被成为瘦客户端。

B/S其实是属于C/S中的一种特殊情况。但是现在随着internet的发展，很多人习惯于直接访问网页，所以B/S也变得更加的流行起来。

三，socket介绍

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。

首先先熟悉一下流程图，然后根据流程在进行具体的代码分析。

1，Socket Families(地址簇)

socket.AF_UNIX unix本机进程间通信 

socket.AF_INET　IPV4　

socket.AF_INET6  IPV6

2，Socket Types（传输协议）

socket.SOCK_STREAM  #for tcp

socket.SOCK_DGRAM   #for udp 

3，参数

• 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

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]]])，如果里面不传参数，默认为ipv4，TCP协议

4，socket常用方法

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。

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。

accept() ：被动接受TCP客户端连接,(阻塞式)等待连接的到来接受连接并返回（conn,addr）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。addr是连接客户端的地址，

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。

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。

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。

recvfrom():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。

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。

close():关闭套接字

四，简单的socket使用

前面讲的一些网络知识，其实在写代码的过程中，没有用到，知识让你明白流程是如何的。下面就写一个简单的socket实现通信的代码吧。

服务端（server）

import socket
server=socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',1314))#绑定ip地址跟端口号
server.listen()#打开监听
conn,addr=server.accept()#接受连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址
date=conn.recv(1024)#收到客户端发来的消息（bytes类型）
print(date.decode())
conn.send('我爱你'.encode())#向客户端发送消息
conn.close()#关闭与这个客户端的连接
server.close()#关闭

客户端（client）

import socket
client=socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1',1314))#连接到这个ip地址和这个端口号
client.send(b'gmx')#向服务端发送消息
print(client.recv(1024).decode())#收到服务端发来的消息

当然，这只是最简单的例子了，我们明白了基本的道理，可以在上面的基础上实现客户端跟服务端两个的聊天。

服务端（server）

import socket
server=socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',1314))#绑定ip地址跟端口号
server.listen()#打开监听
while True:
    conn,addr=server.accept()#在一个客户端断开，还有其他的能连
    while True:
        recv_data=conn.recv(1024)
        print('客户端发来的消息：%s' %recv_data.decode())
        send_data=input(">>>>")
        conn.send(send_data.encode())
    conn.close()
server.close()#关闭

客户端（client）

import socket
client=socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1',1314))#连接到这个ip地址和这个端口号
while True:
    send_data=input('>>>')
    if not send_data:
        print('客户端断开')
        break
    client.send(send_data.encode())
    recv_data = client.recv(1024)
    print(recv_data.decode())
client.close()

当然前面的两个例子都是比较简单的socket通信。后面我们会讲到做一个简单的ssh，前面接收的数据只有1024字节，那如果在接收的过程中，数据量比较大应该怎么办呢，还有一种情况就是如果同时发两条消息，然后前面的信息没接收完，后面的又发过去了，就会产生粘包现在，后面我们会深入讲到网络通信的一些东西。