Python网络编程（OSI模型、网络协议、TCP）

最新推荐文章于 2025-04-21 13:54:41 发布

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本文深入浅出地介绍了网络的基本概念，包括网络的定义、结构、目的及网络协议，重点阐述了OSI模型与TCP/IP模型的区别，并详细解析了Python中的套接字编程，演示了服务端与客户端的通信过程。

前言：

什么是网络？

网络是由节点和连线构成，表示诸多对象及其相互联系。

在数学上，网络是一种图，一般认为专指加权图。

网络除了数学定义外，还有具体的物理含义，即网络是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型

在计算机领域中，网络是信息传输、接收、共享的虚拟平台，通过它把各个点、面、体的信息联系到一起，从而实现这些资源的共享。

网络是人类发展史来最重要的发明，提高了科技和人类社会的发展。

在1999年之前，人们一般认为网络的结构都是随机的。但随着Barabasi和Watts在1999年分别发现了网络的无标度和小世界特性并分别在世界著名的《科学》和《自然》杂志上发表了他们的发现之后，人们才认识到网络的复杂性。

网络会借助文字阅读、图片查看、影音播放、下载传输、游戏、聊天等软件工具从文字、图片、声音、视频等方面给人们带来极其丰富的生活和美好的享受。

网络目的：

网络传输的目的是什么？

没错就是：数据传输

由于网络的复杂性以及各种应用硬件等等不匹配原因

和编码是一个道理你有你的我有我的会导致冲突等问题

所以出现了：ISO（国际标准化组织）

ISO是干嘛的呢？

他是一个非盈利性国际组织这个组织制定了一个用于计算机或通讯系统间的互联网标准体系
叫OSI模型不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议
OSI公有七层：

应用层：提供用户服务，具体的内容由特定的程序规定
表示层： 提供数据的加密和压缩优化
会话层：确定建立应用链接，选择传输服务
传输层： 提供数据传输服务，进行流量控制
网络层： 路由选着，网络互联
链路层：提供链路交换，具体消息的发送
物理层：物理硬件，接口，网卡的规定

或

四层模型：

应用层：应用层表示层会话层
传输层：传输层
网络层：网络层
物理链路层：链路层和物理层

或

五层模型（tcp/ip模型）：

应用层：应用层表示层会话层
传输层：传输层
网络层：网络层
链路层：链路层
物理层：物理层

OSI模型优点：

将功能分开降低网络中的耦合度，
使用开发流程更加清晰，每部分各司其职

高内聚低耦合：

高内聚：每个模块功能尽量单一，不会多个功能掺杂
低耦合：尽量降低每个模块之间的关联性

网络协议：

在网络通讯中协议必须遵守的规定，
如建立什么连接，消息结构如何解析等

应用层：TFTP（文件传输）、HTTP(超文本传输协议)、DNS（域名解析）、SMTP（邮件传输）
传输层：TCP、UDP
网络层：IP
物理层：IEEE

iPython3：socket模块

网络相关概念：

网络主机：在网络上确定一台主机

本地使用：127.0.0.1 或 “localhost”
网络地址：“0.0.0.0” 或 “172.168.40.53”

ifconfig：查看本机IP （ens33：本地IP lo：本地回还）
ipconfig：windoes中
socket.gethostname() ：获取本机主机名
socket.gethostbyname('tedu') ：利用主机名获取ip
socket.gethostbyname('localhost')：获取本地ip

常用IP地址:

IPv4：点分十进制例如：192.168.1.3 取值0~255（32位）
IPv6： 128位

网络连接测试

ping 172.18.32.47

特殊ip

127.0.0.1 本地IP测试
0.0.0.0 自动使用本地可用网卡IP
192.168.1.0 代表网段
192.168.1.1 通常为网关地址
192.168.1.255 广播地址

访问主机IP地址：

socket.gethostbyaddr('127.0.0.1')

('localhost', [], ['127.0.0.1'])

主机别名 ip地址

IP十六进制转换：

socket.inet_aton('192.168.1.2')
b'\xc0\xa8\x01\x02'
socket.inet_ntoa(b'\xc0\xa8\x01\02')
'192.168.1.2'

域名：

是指网络服务器地址在网络上的名称

端口号：

端口号是地址的一部分，在一个系统中每个网络（区分应用ip）
应用监听不同的端口，以获取对应的端口传递信息
取值范围：1---------65535
1---------255 一些通用端口（众所周知的程序占用）
256------1023 系统端口
1024-----65535 自用端口

获取应用程序的端口：

socket.getservbyname('ssh')
22

socket.getservbyname('mysql')
3306

传输层服务：

面向连接的传输服务（tcp协议）：

传输特征：
可靠的数据传输：
可靠性：无失序、无差错、无重复、无丢失
在数据传输前和传输后需要建立连接和断开链接
面向传输服务建立连接的过程：‘三次握手’

客户端向服务器发送链接请求
服务器接受到请求进行确认，返回确认报文
客户端收到服务器回复最终确认链接

面向传输服务断开链接的过程：‘四次挥手’

1. 主动方发送报文，告知被动方要断开链接
2. 被动方回复报文，表示已经接受到请求，准备断开
3. 被动方再次发送报文，表示准备处理就绪，可以断开
4. 主动方发送确认报文，断开链接

应用情况：
适用于传输较大的内容或文件，网络良好，
需要保证传输可靠性的情况
e.g. 信息聊天，文件上传下载，邮件，网页获取

面向无连接的传输服务（udp协议）：

不保证传输的可靠性
没有建立连接和断开的过程
数据的收发比较自由

适用情况：
网络情况较差，对可靠性要求不高，收发消息的两端
e.g.：网络视频，群聊，广播等

socket 套接字编程：

目的：

通过编程语言提供的套接字编程接口
可以更简单的完成基于tcp/udp的编程

套接字：

是完成上述目标的一种编程手段

套接字类别：

1.流式套接字（SOCK_STREAM）：

传输层基于套接字的协议通信
面向连接可靠的传输 tcp的传输流式套接字

2.数据报套接字（SOCK_DGRAM）：

面向无连接不可靠的传输 udp的传输数据报套接字

3.低层套接字（SOCK_RAM）：

访问底层协议套接字

TCP服务端：

import socket

1.创建套接字（函数）：

socket.socket（sock_family = AF_INET,

sock_type = SOCK_STREAM,

proto = 0）

功能：

创建套接字

参数：

sock_family地址族类型 AF_INET：IPV4网络通讯
sock_tpye：套接字类型 SICK_STREAM ：流式 SOCK_DGRAM：数据报
proto：通常为0 选定子协议类型
返回值：返回一个套接字对象

2.绑定地址(函数)：

sockfd.bind（addr）

功能：

绑定地址

参数：

addr--->元组 (ip, port) ("0.0.0.0", 8888)

3.设置监听套接字：

sockfd.listen(n)

功能：

将套接字设置为监听套接字，创建监听队列

参数：

监听队列大小
一个监听套接字可以连接多个客户端

4.等待接受客户端链接：

connfd，addr = sockfd.accept（） 阻塞状态

功能：

阻塞等待并处理客户端链接

返回值：

connfd：新的套接字，用于和客户端通讯
addr：链接客户端的地址（ip， port）

阻塞函数：

当程序运行到阻塞函数位置，如果某种条件
没有达成则暂停程序运行，直到条件达成结束阻塞

5.消息的收发：

data = connfd.recv（buffersize）

功能：

接受消息

参数：

一次接受消息的大小字节
返回值：返回接受的内容

n = connfd.send（data）

功能：

发送消息

参数：

要发送的内容（bytes格式）
返回值：返回实际发送的字节数

6.关闭套接字

sockfd.close（）

客户端：

1.创建套接字 （和服务端套接字类型相同）

2.发起链接

connect（addr）

功能：

向服务端发起链接

参数：

服务器地址（元组）

3.消息收发

4.关闭套接字

示例

服务端：

<span style="color:#f8f8f2"><code class="language-python"><span style="color:#66d9ef">from</span> socket <span style="color:#66d9ef">import</span> <span style="color:#f8f8f2">*</span>

<span style="color:slategray"># 创建套接字对象</span>
sockd <span style="color:#f8f8f2">=</span> socket<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 绑定IP地址</span>
sockd<span style="color:#f8f8f2">.</span>bind<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"127.0.0.1"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> <span style="color:#ae81ff">6666</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 设置监听套接字</span>
sockd<span style="color:#f8f8f2">.</span>listen<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#ae81ff">5</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 等待客户端链接</span>
cond<span style="color:#f8f8f2">,</span> addr <span style="color:#f8f8f2">=</span> sockd<span style="color:#f8f8f2">.</span>accept<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 接受客户端消息（单次1024字节）</span>
data <span style="color:#f8f8f2">=</span> cond<span style="color:#f8f8f2">.</span>recv<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#ae81ff">1024</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span>data<span style="color:#f8f8f2">.</span>decode<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 发送消息</span>
cond<span style="color:#f8f8f2">.</span>send<span style="color:#f8f8f2">(</span>b<span style="color:#a6e22e">"Hello, I'm the server"</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 关闭套接字</span>
cond<span style="color:#f8f8f2">.</span>close<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
sockd<span style="color:#f8f8f2">.</span>close<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
</code></span>

这里本机测试可以利用两个进行 telnet命令链接服务端测试

服务器：

<span style="color:#f8f8f2"><code class="language-python">

<span style="color:#66d9ef">from</span> socket <span style="color:#66d9ef">import</span> <span style="color:#f8f8f2">*</span>

<span style="color:slategray"># 创建套接字</span>
sockfd <span style="color:#f8f8f2">=</span> socket<span style="color:#f8f8f2">(</span>AF_INET<span style="color:#f8f8f2">,</span> SOCK_STREAM<span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 绑定地址</span>
sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>bind<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"0.0.0.0"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> <span style="color:#ae81ff">8888</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 设置监听</span>
sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>listen<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#ae81ff">5</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 等待客户端链接</span>
<span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"waiting for connect...."</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
conn<span style="color:#f8f8f2">,</span> addr <span style="color:#f8f8f2">=</span> sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>accept<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"Connect from"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> addr<span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"Connect from"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> conn<span style="color:#f8f8f2">)</span>

<span style="color:slategray"># 消息收发</span>
<span style="color:#66d9ef">while</span> <span style="color:#ae81ff">True</span><span style="color:#f8f8f2">:</span>
    data <span style="color:#f8f8f2">=</span> conn<span style="color:#f8f8f2">.</span>recv<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#ae81ff">1024</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    <span style="color:#66d9ef">if</span> data<span style="color:#f8f8f2">.</span>decode<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span> <span style="color:#f8f8f2">==</span> <span style="color:#a6e22e">""</span><span style="color:#f8f8f2">:</span>
        n <span style="color:#f8f8f2">=</span> conn<span style="color:#f8f8f2">.</span>send<span style="color:#f8f8f2">(</span>b<span style="color:#a6e22e">"Bey"</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
        <span style="color:#66d9ef">break</span>
    <span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"Receive"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> data<span style="color:#f8f8f2">.</span>decode<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    n <span style="color:#f8f8f2">=</span> conn<span style="color:#f8f8f2">.</span>send<span style="color:#f8f8f2">(</span>b<span style="color:#a6e22e">"Receive your message"</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    <span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"send %d"</span> <span style="color:#f8f8f2">%</span> n<span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:slategray"># 关闭套接字</span>
conn<span style="color:#f8f8f2">.</span>close<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>close<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
</code></span>

客户端：

<span style="color:#f8f8f2"><code class="language-python"><span style="color:slategray"># tcp_client.py</span>

<span style="color:#66d9ef">from</span> socket <span style="color:#66d9ef">import</span> <span style="color:#f8f8f2">*</span>

sockfd <span style="color:#f8f8f2">=</span> socket<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>connect<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"172.18.32.31"</span><span style="color:#f8f8f2">,</span> <span style="color:#ae81ff">8888</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
<span style="color:#66d9ef">while</span> <span style="color:#ae81ff">True</span><span style="color:#f8f8f2">:</span>
    msg <span style="color:#f8f8f2">=</span> input<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#a6e22e">"Msg>>"</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    <span style="color:#66d9ef">if</span> msg <span style="color:#f8f8f2">==</span> <span style="color:#a6e22e">""</span><span style="color:#f8f8f2">:</span>
        <span style="color:#66d9ef">break</span>
    sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>send<span style="color:#f8f8f2">(</span>msg<span style="color:#f8f8f2">.</span>encode<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    data <span style="color:#f8f8f2">=</span> sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>recv<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#ae81ff">1024</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
    <span style="color:slategray"># if msg == "Bye":</span>
    <span style="color:slategray">#     break</span>
    <span style="color:#66d9ef">print</span><span style="color:#f8f8f2">(</span>data<span style="color:#f8f8f2">.</span>decode<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span><span style="color:#f8f8f2">)</span>
sockfd<span style="color:#f8f8f2">.</span>close<span style="color:#f8f8f2">(</span><span style="color:#f8f8f2">)</span></code></span>

简单的消息传输：

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