Python——计算机网络

一.ip

1.ip的定义

IP是"Internet Protocol"的缩写，即"互联网协议"。它是用于计算机网络通信的基础协议之一，属于TCP/IP 协议族中的网络层协议。IP协议的主要功能是负责将数据包从源主机传输到目标主机，并确保数据能够在复杂的网络环境中正确地路由和转发。

2.ip地址

IP地址是IP协议的核心组成部分，它是一个用于唯一标识网络设备（如计算机、服务器、路由器等）的地址。IP地址分为两种主要版本：

（1）IPv4（Internet Protocol version 4）

• 格式 ：IPv4地址是一个32位的二进制数，通常以点分十进制格式表示，例如：192.168.1.1。

• 地址范围 ：IPv4地址的范围是从0.0.0.0到255.255.255.255。

• 分类：

  • A类地址 ：范围是1.0.0.0到126.0.0.0，默认子网掩码为255.0.0.0。

  • B类地址 ：范围是128.0.0.0到191.255.0.0，默认子网掩码为255.255.0.0。

  • C类地址 ：范围是192.0.0.0到223.255.255.0，默认子网掩码为255.255.255.0。

  • D类地址 ：范围是224.0.0.0到239.255.255.255，用于多播（组播）。

  • E类地址 ：范围是240.0.0.0到255.255.255.255，目前保留未使用。

• 特点：IPv4地址数量有限（约43亿个），随着互联网的快速发展，IPv4地址逐渐耗尽。

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ip4里面的子网掩码是什么？

子网掩码将ip地址划分为网络部分和本地部分，帮网络设备确定ip地址所属的子网。子网通过其二进制形式中的"1"和"0"来区分这两个部分。

• 网络部分：子网掩码中为"1"的部分表示IP地址的网络部分，用于标识网络。

• 主机部分：子网掩码中为"0"的部分表示IP地址的主机部分，用于标识网络中的设备。

子网掩码的分类

根据IPv4地址的分类（A、B、C类），默认子网掩码如下：

• A类地址 ：默认子网掩码为 255.0.0.0，表示前8位为网络部分，后24位为主机部分。

• B类地址 ：默认子网掩码为 255.255.0.0，表示前16位为网络部分，后16位为主机部分。

• C类地址 ：默认子网掩码为 255.255.255.0，表示前24位为网络部分，后8位为主机部分。

（2）IPv6（Internet Protocol version 6）

• 格式 ：IPv6地址是一个128位的二进制数，通常以冒号分隔的十六进制格式表示，例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

• 特点：

  • 提供了几乎无限的地址空间（约3.4×10³⁸个地址），解决了IPv4地址不足的问题。

  • 支持更高效的路由和自动配置功能。

  • 内置了更好的安全性（如IPsec）。

• 推广现状：尽管IPv6已经存在多年，但由于兼容性和成本问题，目前全球范围内的IPv6普及率仍在逐步提高。

（3）特殊的地址 127.0.0.01

127.0.0.1是IPv4协议中保留的本地回环地址（Loopback Address）。它被用于标识本机上的网络服务，主要用于测试和调试网络程序。

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那么为什么我一定要用这个ip地址呢？用别的地址不行吗？

使用127.0.0.1有其特定的优势和必要性。127.0.0.1是一个特殊的回环地址，用于本地通信，可以避免网络冲突和配置问题，确保测试环境的一致性和隔离性。因此，推荐使用127.0.0.1进行本地调试和测试。

二. 端口

1.端口的定义

端口是一个16位的数字，范围从0到65535。它用于标识应用程序或服务在某个IP地址上的具体位置。每个IP地址可以有多个端口，每个端口可以运行不同的应用程序或服务。

2.端口的分类

端口可以分为以下几类：

（1）系统端口（0-1023）

这些端口通常由系统或操作系统保留，用于运行系统服务和关键应用程序。例如：

• 端口80：用于HTTP协议，提供网页访问服务。

• 端口443：用于HTTPS协议，提供安全的网页访问服务。

• 端口21：用于FTP协议，提供文件传输服务。

• 端口25：用于SMTP协议，提供电子邮件服务。

（2） 用户端口（1024-49151）

这些端口可以由用户自定义或由应用程序使用。许多应用程序会使用这些端口进行网络通信。例如：

• 端口3306：用于MySQL数据库服务。

• 端口5432：用于PostgreSQL数据库服务。

（3）动态端口（49152-65535）

这些端口通常由操作系统动态分配，用于临时通信。例如，当你使用浏览器访问一个网页时，浏览器会从这些端口中选择一个临时端口作为通信的源端口。

三.通讯接口

1.通讯接口的定义

• 通讯接口是一个实现通讯协议的接口 ，使得不同设备或应用程序能够按照协议的规定进行通信。

• 通讯接口可以是软件接口 （如API、库）或硬件接口（如USB、RS-232）。

软件接口和硬件接口之间有什么关系呢？

为什么会有软件接口和硬件接口？-CSDN博客

2.通讯接口分类

• 软件接口：如Socket、Snap7、Modbus-TCP等。

• 硬件接口：如USB、RS-232、RS-485等。

3.接口Snap7和Socket

（1）Snap7

• 定义：

  • Snap7 是一个用于与西门子 S7 系列 PLC（可编程逻辑控制器）进行通信的开源库。它提供了与 PLC 设备进行数据交换的接口。

• 接口类型：

  • PLC 接口：Snap7 主要用于与 PLC 设备进行通信，因此可以被视为一种 PLC 接口。

  • 软件接口：Snap7 提供了软件接口，允许开发者通过编程与 PLC 设备进行通信。

• 作用：

  • 提供了与西门子 PLC 设备进行高效、可靠通信的接口，适用于工业自动化领域。

（2）Socket

• 定义：

  • Socket 是计算机网络中的一种通用通信接口，可以用于实现网络通信。它提供了与网络中其他设备或应用程序进行数据交换的接口。

• 接口类型：

  • 计算机软件接口：Socket 是计算机网络中的一种通用接口，适用于各种网络应用。

• 作用：

  • 提供了网络通信的接口，使得不同设备或应用程序之间可以进行数据传输，适用于多种网络通信场景。

四.通讯协议

1.通讯协议的定义

• 通讯协议是一组规则和标准 ，用于定义两个或多个通信实体 （如设备、应用程序）之间如何进行信息交换。

• 协议规定了通信的内容、格式、顺序以及错误处理等细节。

2.通讯协议分类

• 网络协议：如TCP/IP、UDP、HTTP、FTP等。

• 工业协议：如Modbus、Profibus、Profinet、S7等。

• 应用层协议：如HTTP、HTTPS、SMTP、POP3等。

可是为什么会有这么多通讯协议的分类呢？

因为通讯协议的多样性是由于不同的应用场景、历史背景和技术发展导致的。

通讯协议的分类及原因-CSDN博客

五.UDP和TCP

• UDP

  • 定义：UDP是一种无连接的传输层协议，它不提供可靠的数据传输服务，也不保证数据能够成功到达接收方。它在发送数据前不需要与接收方建立连接，发送数据后也不会等待接收方的确认。

  • 特点：UDP协议简单高效，适用于实时性要求较高的应用场景，如视频会议、在线游戏等。

• TCP

  • 定义：TCP是一种面向连接的传输层协议，它在发送数据前需要与接收方建立可靠的连接。TCP通过三次握手（SYN、ACK、SYN-ACK）来建立连接，通过四次挥手（FIN、ACK、FIN-ACK）来断开连接。

  • 特点：TCP提供可靠的数据传输服务，能够保证数据的按序到达和完整性。它适用于对数据可靠性要求较高的场景，如文件传输、电子邮件等。

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协议的比较与区别

协议	UDP	TCP
连接类型	无连接	面向连接
可靠性	不可靠，不保证数据到达	可靠，保证数据按序到达
速度	较快，无连接开销	较慢，有连接和确认开销
头部开销	较小，8字节	较大，通常20-60字节
应用场景	实时性要求高的场景（如视频会议、在线游戏）	数据可靠性要求高的场景（如文件传输、电子邮件）
传输方式	以数据报为单位，无连接	以字节流为单位，面向连接
拥塞控制	无拥塞控制	有拥塞控制

协议的报文格式和字段含义

• UDP 报文格式

  • 首部：8字节，包含以下字段：

    • 源端口：2字节，发送方的端口号。

    • 目的端口：2字节，接收方的端口号。

    • 长度：2字节，UDP用户数据报的总长度（包括首部和数据）。

    • 校验和：2字节，用于检测UDP用户数据报在传输过程中是否有错误。

  • 数据区：存放实际要传输的数据。

• TCP 报文格式

  • 首部：通常20-60字节，包含以下字段：

    • 源端口：2字节，发送方的端口号。

    • 目的端口：2字节，接收方的端口号。

    • 序号：4字节，用于标识TCP报文段的顺序。

    • 确认号：4字节，用于确认接收到的报文段。

    • 首部长度：1字节，标识TCP首部的长度。

    • 标志位：6位，用于控制TCP连接的状态（如SYN、ACK、FIN等）。

    • 窗口大小：2字节，用于流量控制。

    • 校验和：2字节，用于检测TCP报文段在传输过程中是否有错误。

    • 紧急指针：2字节，用于紧急数据的传输。

  • 数据区：存放实际要传输的数据。

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协议的使用方式和编程示例

• UDP 编程示例

  Python复制

  import socket
  
  # 创建UDP套接字
  udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
  
  # 绑定端口
  udp_socket.bind(('localhost', 12345))
  
  # 发送数据
  udp_socket.sendto(b'Hello, UDP!', ('localhost', 12346))
  
  # 接收数据
  data, addr = udp_socket.recvfrom(1024)
  print(f"Received from {addr}: {data.decode()}")
  
  # 关闭套接字
  udp_socket.close()

• TCP 编程示例

  Python复制

  import socket
  
  # 创建TCP套接字
  tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  
  # 绑定端口
  tcp_socket.bind(('localhost', 12345))
  
  # 监听连接
  tcp_socket.listen(5)
  
  # 接受连接
  conn, addr = tcp_socket.accept()
  print(f"Connected by {addr}")
  
  # 发送数据
  conn.sendall(b'Hello, TCP!')
  
  # 接收数据
  data = conn.recv(1024)
  print(f"Received from {addr}: {data.decode()}")
  
  # 关闭连接
  conn.close()
  tcp_socket.close()