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Python 網路編程 TCP/UDP

2021-10-06 07:58:26 軟體設計

目錄

網路編程

1.網路編程基礎知識

1.1 什么是網路

1.2 網路協議

OSI 7層模型

TCP/IP模型

1.3 Linux Windows 命令列查看網路資訊

1.4 IP地址

1.4.1 概念:

1.4.2 IP地址分類:

1.5 埠

1.5.1 概念

1.6 服務器和客戶端

1.6.1 服務端(Server):

1.6.2 客戶端(Client) :

2.傳輸方法

2.1套接字簡介

2.2 套接字型別

1. 流套接字(SOCK_STREAM)

2. 資料報套接字(SOCK_DGRAM)

3. 原始套接字(SOCK_RAW)

2.3 UDP套接字編程

2.3.1 UDP套接字特點

2.3.2 UDP套接字傳輸服務端客戶端流程圖

2.3.3 UDP實作代碼

2.4 TCP 傳輸方法

2.4.1 TCP傳輸特點

2.4.2 TCP套接字傳輸服務端客戶端流程圖

三次握手(建立連接)

四次揮手(斷開連接)

2.4.3 TCP服務端(實作代碼)

2.4.4 TCP客戶端(實作代碼)

2.4.5 TCP套接字細節

2.5 TCP與UDP對比


網路編程

1.網路編程基礎知識

1.1 什么是網路

什么是網路 : 計算機網路功能主要包括實作資源共享,實作資料資訊的快速傳遞,

1.2 網路協議

什么是網路協議:在網路資料傳輸中,都遵循的執行規則,
網路協議實際上規定了每一層在完成自己的任務時應該遵循什么規范,
需要應用工程師做的作業 : 撰寫應用工功能,明確對方地址,選擇傳輸服務

OSI 7層模型

?
好處
1. 建立了統一的通信標準
2. 降低開發難度,每層功能明確,各司其職
3. 七層模型實際規定了每一層的任務,該完成什么事情

TCP/IP模型

七層模型過于理想,結構細節太復雜
在工程中應用實踐難度大
實際作業中以 TCP/IP 模型為作業標準流程
?

1.3 Linux Windows 命令列查看網路資訊

Linux: ifconfig

windows: ipconfig

開/關網卡:sudo ifconfig ###(網卡名) up/down

?

1.4 IP地址

1.4.1 概念:

IP地址(Internet Protocol Address)是指互聯網協議地址,又譯為網際協議地址,

IP地址是IP協議提供的一種統一的地址格式,它為互聯網上的每一個網路和每一臺主機分配一個邏輯地址,以此來屏蔽物理地址的差異,

IP地址即在網路中標識一臺計算機的地址編號,

1.4.2 IP地址分類:

IPv4 : 192.168.1.5
IPv6 :fe80::80a:76cf:ab11:2d73
IPv4 特點
分為4個部分,每部分是一個整數,取值分為0-255
IPv6 特點(了解)
分為8個部分,每部分4個16進制數,如果出現連續的數字 0 則可以用 ::省略中間的0

公網IP和內網IP:
公網 IP 指的是連接到互聯網上的公共 IP 地址,大家都可以訪問,(將來進公司,公司會
申請公網 IP 作為網路專案的被訪問地址)
內網 IP 指的是一個局域網路范圍內由網路設備分配的 IP 地址,

TCP/IP協議 之IPV4與IPV6的區別;5G無線通信與4G的典型區別有哪些?_洋蔥專欄-有靈魂的程式員-CSDN博客

1.5 埠

1.5.1 概念

埠:網路地址的一部分,在一臺計算機上,每個網路程式對應一個埠

?

如果把IP地址比作一間房子 ,埠就是出入這間房子的門,

真正的房子只有幾個門,但是一個IP地址的埠可以有65536(即:2^16)個之多!埠是通過埠號來標記的,埠號只有整數,范圍是從0 到65535(2^16-1),

我們知道,一臺擁有IP地址的主機可以提供許多服務,比如Web服務、FTP服務、SMTP服務等,這些服務完全可以通過1個IP地址來實作,

那么,主機是怎樣區分不同的網路服務呢?

顯然不能只靠IP地址,因為IP 地址與網路服務的關系是一對多的關系,實際上是通過“IP地址+埠號”來區分不同的服務的,

需要注意的是,埠并不是一一對應的,

比如你的電腦作為客戶機訪 問一臺WWW服務器時,WWW服務器使用“80”埠與你的電腦通信,但你的電腦則可能使用“3457”這樣的埠,

網路埠的作用及分類_TerryZjl的博客-CSDN博客_埠

1.6 服務器和客戶端

1.6.1 服務端(Server)

服務端是為客戶端服務的,服務的內容諸如向客戶端提供資源,保存客戶端資料,處理客戶端請求等,

1.6.2 客戶端(Client)

也稱為用戶端,是指與服務端相對應,為客戶提供一定應用功能的程式,我們平時使用的手機或者電腦上的程式基本都是客戶端程式

?

2.傳輸方法

2.1套接字簡介

套接字(Socket) : 實作網路編程進行資料傳輸的一種技術手段 , 網路上各種各樣的網路服務大多都
是基于 Socket 來完成通信的,
套接字 Socket=(IP地址:埠號),套接字的表示方法是點分十進制的lP地址后面寫上埠號,中間用冒號或逗號隔開,每一個傳輸層連接唯一地被通信兩端的兩個端點(即兩個套接字)所確定,例如:如果IP地址是210.37.145.1,而埠號是23,那么得到套接字就是(210.37.145.1:23) [4]



2.2 套接字型別

1. 流套接字(SOCK_STREAM)

流套接字用于提供面向連接、可靠的資料傳輸服務,

該服務將保證資料能夠實作無差錯、無重復送,并按順序接收

流套接字之所以能夠實作可靠的資料服務,原因在于其使用了傳輸控制協議,即TCP(The Transmission Control Protocol)協議




2. 資料報套接字(SOCK_DGRAM)

資料報套接字提供一種無連接的服務,

該服務并不能保證資料傳輸的可靠性,數據有可能在傳輸程序中丟失或出現資料重復,且無法保證順序地接收到資料

資料報套接字使用UDP( User DatagramProtocol)協議進行資料的傳輸,由于資料報套接字不能保證資料傳輸的可靠性,對于有可能出現的資料丟失情況,需要在程式中做相應的處理 ,

3. 原始套接字(SOCK_RAW)

原始套接字與標準套接字(標準套接字指的是前面介紹的流套接字和資料報套接字)的區別在于:

原始套接字可以讀寫內核沒有處理的IP資料包,而流套接字只能讀取TCP協議的資料,資料報套接字只能讀取UDP協議的資料,

因此,如果要訪問其他協議發送的資料必須使用原始套接 ,

2.3 UDP套接字編程

2.3.1 UDP套接字特點

可能會出現資料丟失的情況
傳輸程序簡單,實作容易
資料以資料包形式表達傳輸
資料傳輸效率較高

2.3.2 UDP套接字傳輸服務端客戶端流程圖

?

2.3.3 UDP實作代碼

創建UDP套接字

sockfd=socket.socket(socket_family,socket_type,proto=0) 
功能:創建套接字 
引數:
socket_family 網路地址型別 AF_INET表示ipv4 
socket_type 套接字型別 SOCK_DGRAM 表示udp套接字 (也叫資料報套接字)
 proto 通常為0 選擇子協議 回傳值: 套接字物件

系結地址

系結地址
本地地址 : 'localhost' , '127.0.0.1'
網路地址 : '172.40.91.185' (通過 ifconfig 查看)
自動獲取地址: '0.0.0.0
?
sockfd.bind(addr) 
功能: 系結本機網路地址 
引數: 二元元組 (ip,port) ('0.0.0.0',8888)

訊息收發

接收訊息:
data,addr = sockfd.recvfrom(buffersize) 
功能: 接收UDP訊息 
引數: 每次最多接收多少位元組 
回傳值: 
    data 接收到的內容 
    addr 訊息發送方地址 
發送訊息:
n = sockfd.sendto(data,addr) 
功能: 發送UDP訊息 
引數: 
    data 發送的內容 bytes格式 
    addr 目標地址 
回傳值:發送的位元組數

關閉套接字

sockfd.close() 
功能:關閉套接字

2.4 TCP 傳輸方法

2.4.1 TCP傳輸特點

面向連接的傳輸服務
傳輸特征 : 提供了可靠的資料傳輸,可靠性指資料傳輸程序中無丟失,無失序,無差錯,無
重復,
可靠性保障機制(都是作業系統網路服務自動幫應用完成的):
在通信前需要建立資料連接
確認應答機制
通信結束要正常斷開連接

2.4.2 TCP套接字傳輸服務端客戶端流程圖

?

三次握手(建立連接)

客戶端向服務器發送訊息報文請求連接
服務器收到請求后,回復報文確定可以連接
客戶端收到回復,發送最終報文連接建立
?

四次揮手(斷開連接)

主動方發送報文請求斷開連接
被動方收到請求后,立即回復,表示準備斷開
被動方準備就緒,再次發送報文表示可以斷開
主動方收到確定,發送最終報文完成斷開

?

2.4.3 TCP服務端(實作代碼)

?

a.創建套接字

sockfd=socket.socket(socket_family,socket_type,proto=0)
功能:創建套接字 
引數:
    socket_family 網路地址型別 AF_INET表示ipv4 
    socket_type 套接字型別 SOCK_STREAM 表示tcp套接字 (也叫流式套接字) 
proto :通常為0 選擇子協議 
回傳值: 套接字物件
b.系結地址 (與 udp 套接字相同)
sockfd.bind(addr) 
功能: 系結本機網路地址 
引數: 二元元組 (ip,port) ('0.0.0.0',8888)
c.設定監聽
sockfd.listen(n) 
功能 : 將套接字設定為監聽套接字,確定監聽佇列大小 
引數 : 監聽佇列大小

?

d.處理客戶端連接請求

connfd,addr = sockfd.accept() 
功能: 阻塞等待處理客戶端請求 
回傳值: connfd 客戶端連接套接字
         addr 連接的客戶端地址

e.訊息收發

接收訊息:
data = connfd.recv(buffersize) 
功能 : 接受客戶端訊息 
引數 :每次最多接收訊息的大小 
回傳值: 接收到的內容 

發送訊息:
n = connfd.send(data) 
功能 : 發送訊息 
引數 :要發送的內容 bytes格式 
回傳值: 發送的位元組數

f. 關閉套接字 (udp套接字相同)

sockfd.close() 
功能:關閉套接字

2.4.4 TCP客戶端(實作代碼)

?

創建套接字

a.請求連接
sockfd.connect(server_addr) 
功能:連接服務器 
引數:元組 服務器地址
b.收發訊息
注意: 防止兩端都阻塞, recv send 要配合
c.關閉套接字

2.4.5 TCP套接字細節

tcp 連接中當一端退出,另一端如果阻塞在 recv ,此時 recv 會立即回傳一個空字串,
tcp 連接中如果一端已經不存在,仍然試圖通過 send 向其發送資料則會產生 BrokenPipeError
一個服務端可以同時連接多個客戶端,也能夠重復被連接
tcp粘包問題
產生原因
為了解決資料再傳輸程序中可能產生的速度不協調問題,作業系統設定了緩沖區

實際網路作業程序比較復雜,導致訊息收發速度不一致 tcp以位元組流方式

帶來的影響

進行資料傳輸,在接收時不區分訊息邊界

如果每次發送內容是一個獨立的含義,需要接收端獨立決議此時粘包會有影響,
處理方法
人為的添加訊息邊界,用作訊息之間的分割
控制發送的速度

2.5 TCPUDP對比

傳輸特征
TCP 提供可靠的資料傳輸,但是 UDP 則不保證傳輸的可靠性
TCP 傳輸資料處理為位元組流,而 UDP 處理為資料包形式
TCP 傳輸需要建立連接才能進行資料傳,效率相對較低, UDP 比較自由,無需連接,效率較
套接字編程區別
創建的套接字型別不同
tcp 套接字會有粘包, udp 套接字有訊息邊界不會粘包
tcp 套接字依賴 listen accept 建立連接才能收發訊息, udp 套接字則不需要
tcp 套接字使用 send recv 收發訊息, udp 套接字使用 sendto recvfrom
使用場景
tcp:
更適合對準確性要求高,傳輸資料較大的場景
檔案傳輸:如下載電影,訪問網頁,上傳照片
郵件收發
點對點資料傳輸:如點對點聊天,登錄請求,遠程訪問,發紅包
udp:
更適合對可靠性要求沒有那么高,傳輸方式比較自由的場景
視頻流的傳輸: 如直播,視頻聊天
廣播:如網路廣播,群發訊息
實時傳輸:如游戲畫面
在一個大型的專案中,可能既涉及到 TCP 網路又有 UDP 網路

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