网络通信（一）

网络编程

互联网时代，现在基本上所有的程序都是网络程序，很少有单机版的程序了。

网络编程就是如何在程序中实现两台计算机的通信。

Python语言中，提供了大量的内置模块和第三方模块用于支持各种网络访问，而且Python语言在网络通信方面的优点特别突出，远远领先其他语言。

1. 了解TCP和UDP
2. 掌握编写UDP Socket客户端应用
3. 掌握编写UDP Socket服务器端应用
4. 掌握编写TCP Socket客户端应用
5. 掌握编写TCP Socket服务器端应用

IP地址_私有地址等概念

IP是Internet Protocol Address，即"互联网协议地址"。

用来标识网络中的一个通信实体的地址。通信实体可以是计算机、路由器等。 比如互联网的每个服务器都要有自己的IP地址，而每个局域网的计算机要通信也要配置IP地址。

路由器是连接两个或多个网络的网络设备。

类别	最大网络数	IP地址范围	单个网段最大主机数	私有IP地址范围
A	126(2^7-2)	1.0.0.1-127.255.255.254	16777214	10.0.0.0-10.255.255.255
B	16384(2^14)	128.0.0.1-191.255.255.254	65534	172.16.0.0-172.31.255.255
C	2097152(2^21)	192.0.0.1-223.255.255.254	254	192.168.0.0-192.168.255.255

目前主流使用的IP地址是IPV4，但是随着网络规模的不断扩大，IPV4面临着枯竭的危险，所以推出了IPV6。

IPV4，采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，它只有4段数字，每一段最大不超过255。随着互联网的发展，IP地址不够用了，在2019年11月25日IPv4位地址分配完毕。

IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。

IP地址实际上是一个32位整数（称为IPv4），以字符串表示的IP地址如192.168.0.1实际上是把32位整数按8位分组后的数字表示，目的是便于阅读。

IPv6地址实际上是一个128位整数，它是目前使用的IPv4的升级版，以字符串表示类似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334

公有地址

公有地址（Public address）由Inter NIC（Internet Network Information Center互联网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问互联网。

私有地址

私有地址（Private address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。

以下列出留用的内部私有地址

A类 10.0.0.0--10.255.255.255

B类 172.16.0.0--172.31.255.255

C类 192.168.0.0--192.168.255.255

注意事项

• 127.0.0.1 本机地址
• 192.168.0.0--192.168.255.255为私有地址，属于非注册地址，专门为组织机构内部使用

端口的概念

端口号用来识别计算机中进行通信的应用程序。因此，它也被称为程序地址。

一台计算机上同时可以运行多个程序。传输层协议正是利用这些端口号识别本机中正在进行通信的应用程序，并准确地进行数据传输。

总结

• IP地址好比每个人的地址（门牌号），端口好比是房间号。必须同时指定IP地址和端口号才能够正确的发送数据。
• IP地址好比为电话号码，而端口号就好比为分机号。

端口分配

端口是虚拟的概念，并不是说在主机上真的有若干个端口。通过端口，可以在一个主机上运行多个网络应用程序。 端口的表示是一个16位的二进制整数，对应十进制的0-65535。

操作系统中一共提供了0~65535可用端口范围。

按端口号分类：

**公认端口（Well Known Ports）：**从0到1023，它们紧密绑定（binding）于一些服务。通常这些端口的通讯明确表明了某种服务的协议。例如：80端口实际上总是HTTP通讯。

**注册端口（Registered Ports）：**从1024到65535。它们松散地绑定于一些服务。也就是说有许多服务绑定于这些端口，这些端口同样用于许多其它目的。例如：许多系统处理动态端口从1024左右开始。

网络协议ISO分层模型

国际标准化组织(ISO，即International Organization for Standardization)定义了网络通信协议的基本框架，被称为OSI（Open System Interconnect，即开放系统互联）模型。要制定通讯规则，内容会很多，比如要考虑A电脑如何找到B电脑，A电脑在发送信息给B电脑时是否需要B电脑进行反馈，A电脑传送给B电脑的数据格式又是怎样的？内容太多太杂，所以OSI模型将这些通讯标准进行层次划分，每一层次解决一个类别的问题，这样就使得标准的制定没那么复杂。OSI模型制定的七层标准模型，分别是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。

网络协议的分层

虽然国际标准化组织制定了这样一个网络通信协议的模型，但是实际上互联网通讯使用最多的网络通信协议是TCP/IP网络通信协议。

TCP/IP 是一个协议族，也是按照层次划分，共四层：应用层，传输层，互连网络层，网络接口层（物理+数据链路层）。

把用户应用程序作为最高层，把物理通信线路作为最低层，将其间的协议处理分为若干层，规定每层处理的任务，也规定每层的接口标准。

TCP和UDP传输数据的区别

TCP和UDP协议区别

TCP 和 UDP 的优缺点无法简单地、绝对地去做比较：TCP 用于在传输层有必要实现可靠传输的情况；UDP 主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。TCP 和 UDP 应该根据应用的目的按需使用。

TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。TCP方式就类似于拨打电话，使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。

UDP

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）

UDP是一个非连接的协议，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。 在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、 计算机的能力和传输带宽的限制； 在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

UDP方式就类似于发送短信，使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。

UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP

TCP和UDP区别

这两种传输方式都在实际的网络编程中使用，重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输，而大量的非核心数据则可以通过UDP方式进行传递，在一些程序中甚至结合使用这两种方式进行数据传递。

由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些。

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

总结

• TCP是面向连接的，传输数据安全，稳定，效率相对较低。
• UDP是面向无连接的，传输数据不安全，效率较高。

TCP的三次握手和四次挥手

TCP建立连接要进行3次握手，而断开连接要进行4次：

第一次： 当主机A完成数据传输后,将控制位FIN置1，提出停止TCP连接的请求 ；

第二次： 主机B收到FIN后对其作出响应，确认这一方向上的TCP连接将关闭,将ACK置1；

第三次： 由B 端再提出反方向的关闭请求,将FIN置1 ；

第四次： 主机A对主机B的请求进行确认，将ACK置1，双方向的关闭结束.。

由TCP的三次握手和四次断开可以看出，TCP使用面向连接的通信方式， 大大提高了数据通信的可靠性，使发送数据端和接收端在数据正式传输前就有了交互， 为数据正式传输打下了可靠的基础。

数据包与处理流程

什么是数据包

通信传输中的数据单位，一般也称"数据包"。在数据包中包括：包、帧、数据包、段、消息。

网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部，明确标明了协议应该如何读取数据。反过来说，看到首部，也就能够了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。包首部就像协议的脸。

socket套接字编程底层原理和TCP_UDP的关系

socket编程介绍

TCP协议和UDP协议是传输层的两种协议。Socket是传输层供给应用层的编程接口，所以Socket编程就分为TCP编程和UDP编程两类。

Socket编程封装了常见的TCP、UDP操作，可以实现非常方便的网络编程。

socket()函数介绍

在Python语言标准库中，通过使用socket模块提供的socket对象，可以在计算机网络中建立可以互相通信的服务器与客户端。在服务器端需要建立一个socket对象，并等待客户端的连接。客户端使用socket对象与服务器端进行连接，一旦连接成功，客户端和服务器端就可以进行通信了。

在Python 中，通常用一个Socket表示"打开了一个网络连接"，语法格式如下：

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

family: 套接字家族可以使AF_UNIX或者AF_INET；

AF 表示ADDRESS FAMILY 地址族

AF_INET（又称 PF_INET）是 IPv4 网络协议的套接字类型；而 AF_UNIX 则是 Unix 系统本地通信。

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主要分为面向连接的Socket和无连接的Socket。

无连接Socket的主要协议是用户数据报协议，也就是常说的UDP，UDP Socket的名字是SOCK_DGRAM。创建套接字UDP/IP套接字，可以调用socket.socket()。示例代码如下：

udpSocket=socket.socket (AF_INET,SOCK_DGRAM)

socket对象的内置函数和属性

在Python语言中socket对象中，提供如表所示的内置函数。

函数	功能
服务器端套接字函数
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.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。
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