网络编程基础(Python语言实现)

网络通信概述

什么是网络？
网络就是一种辅助双法或者多方能连接在一起的工具。
如果没有网络，可想单机的世界是多么孤单。

使用网络的目的：
联通多方然后进行通信用的，即把数据从一方传递给另外一方。网络编程就是，让在不同的电脑上的软件能够数据传递，即进程之间的通信。

TCP/IP协议

如何实现网络通信？------协议
有的说英语，有的说中文，有的说德语，说同一种语言的人可以交流，不同语言的人就不行了，为了解决不同种族人之间的语言沟通障碍，现规定国际通用语言是英语，这就是一个规定，这是协议。

网络通信协议是什么？
问题：不同种类之间的计算机到底是怎么进行数据传递的呢？
答：就像说不同语言的人沟通一样，只要有一种大家都认可都遵守的协议即可，那么这个计算机都遵守的网络通信协议叫做TCP/IP协议。

TCP/IP协议(族)
互联网协议包含了上百种协议标准，但是最重要的两个协议是TCP/IP协议，所以大家把互联网的协议简称为TCP/IP协议。

什么是IP地址
ip地址：用来在网络中标记一台电脑的一串数字，比如192.168.1.1；在本地局域网上是唯一的。

私有IP
网络IP中，国际规定有一部分IP地址是用于局域网使用，也就是属于私网IP，不再公网中使用的，他们的范围是：
10.0.0.0～10.255.255.255
172.16.0.0～172.31.255.255
192.168.0.0～192.168.255.255

回环地址IP
IP地址127.0.0.1代表本地IP地址，等价于localhost，用http://127.0.0.1就可以测试本集中配置的WEB服务器。

子网掩码
子网掩码不能呢个单独存在，它必须结合IP地址一起使用。

子网掩码的作用： 将某个IP地址分成网络地址和主机地址两部分，子网掩码的设定必须遵循一定的规则，用来判断两个IP是否在同一个网络。
A: 172.25.254.18/24
B: 172.25.0.10/24

端口
1.端口就好像一个房子的门，是出入这间房子的必经之路。
2.端口号只有整数，范围是从0到65535
熟悉的服务及其对应的端口号：
http ： 80
mysql ； 3306
https ：443
ssh ：22
ldqp ： 289

socket编程

本地进程间通信（IPC）
1.队列
2.同步
3.管道

网络进程间通信
问题： 本地通过进程PID来唯一标示一个进程，在网络中如何唯一标示一个进程？
答：网络层“IP地址”可以唯一标示网络中的主机，而传输层的"协议+端口“可以唯一标示主机中的应用程序（进程）。因此利用IP地址，协议，端口就可以标示网络的进程。

什么是socket？
答：socket（简称套接字）是进程间的一种通信方式，能实现不同主机间的进程间通信，我们网络上各种各样的服务大多都是基于Socket来完成通信的。

创建socket
在 Python 中 使⽤socket 模块的函数 socket 就可以完成： socket.socket(AddressFamily, Type)
1). Address Family:
AF_INET: IPV4⽤于 Internet 进程间通信
AF_INET6: IPV6⽤于 Internet 进程间通信
2). Type：套接字类型
SOCK_STREAM: 流式套接字，主要⽤于 TCP 协议
SOCK_DGRAM: 数据报套接字，主要⽤于 UDP 协 议

socket编程(UDP)

UDP介绍
1.UDP用户数据报协议，是一个无连接的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，但是并不能保证他们能到达目的地，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，且没有超时重法等机制，故而传输速度很快。
2.UDP是一种面向无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

UDP特点
UDP是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP传输数据时有大小限制，每个传输的数据报必须限定在64KB以内。UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方。

服务端代码框架：

import socket
#1.实例化socket对象
udpServer = socket.socket(family=socket.AF_INET,type=socket.SOCK_DGRAM)
#2.绑定IP和端口
#172.25.254.250
#0.0.0.0代表开放所有的IP地址
udpServer.bind(('0.0.0.0',9001))
print('等待客户端UDP的连接......')

#3.接收客户端的连接
recvdata,address = udpServer.recvfrom(1024)
print('接收到客户端的数据：',recvdata.decode('utf-8'))

#4.给客户端回复信息
udpServer.sendto(b"hello client",address)
#5.关闭socket对象
udpServer.close()

客户端代码框架：

import socket

udpClient = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_DGRAM)
udpClient.sendto(b'hello server', ('172.25.254.49', 9001))
recvData, address = udpClient.recvfrom(1024)
print('接收服务端的数据：', recvData.decode('utf-8'))
udpClient.close()

UDP网络程序框图

socket编程(TCP)

TCP详解：
TCP传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写为TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

三次握手与四次挥手：

如上图：存在两个包，同步序列号SYN 确认包ACK
四种状态： SYN_SENT, LISTEN, SYN_RECV, ESTABLISHED
在三次握手中，客户端和服务器端都发送两个包SYN和ACK，只不过服务器端的两个包是一次性发过来的，客户端的两个包是分两次发送的。

TCP数据传输：

TCP四次挥手：
四次挥手
当A端和B端要断开连接时，需要四次握手，这里称为四次挥手。

断开连接请求可以由客户端发出，也可以由服务器端发出，在这里我们称A端向B端请求断开连接。

第一次挥手

A端向B端请求断开连接时会向B端发送一个带有FIN标记的报文段，这里的FIN是Finish的意思。

第二次挥手

B端收到A发送的FIN后，B段现在可能现在还有数据没有传完，所以B端并不会马上向A端发送FIN，而是先发送一个确认序号ACK，意思是说“你发的断开连接请求我收到了，但是我现在还有数据没有发完，请稍等一下呗”。

第三次挥手

当B端的事情忙完了，那么此时B端就可以断开连接了，此时B端向A端发送FIN序号，意思是这次可以断开连接了。

第四次挥手

A端收到B端发送的FIN后，会向B端发送确认ACK，然后经过两个MSL时长后断开连接。

MSL是Maximum Segment Lifetime，最大报文段生存时间，2个MSL是报文段发送和接收的最长时间

代码实现服务端框架：

import socket

# 1.创建一个socket对象；
# family指定使用IP协议的版本：IPV4：AF_INET; ipv6:AF_INET6
# type指定传输层使用的协议类型：TCP（SOCKET.SOCK_STREAM）,UDP(SOCK_DGRAM)
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 2.绑定一个IP和端口，供客户端来连接；
server.bind(('172.25.254.250', 4002))
# 3.监听是否有客户端连接
server.listen(5)
print('服务端正在启动......')
# 4.接收客户端的连接，accept() -> (socket object,address info)
clientSocket, address = server.accept()
print('客户端的地址：', address)
# 5.接收客户端发送的信息
recvData = clientSocket.recv(1024)
print("服务端接收的信息：", recvData.decode('utf-8'))
# 6.给客户端回复消息，send（self,data:**bytes***,flags:int = .....）
clientSocket.send('你好，客户端'.encode('utf-8'))
# 7.关闭服务器端socket对象
server.close()

代码实现客户端框架：

import socket

# 1.创建一个socket对象；
# family指定使用IP协议的版本：IPV4：AF_INET; ipv6:AF_INET6
# type指定传输层使用的协议类型：TCP（SOCKET.SOCK_STREAM）,UDP(SOCK_DGRAM)
client = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 2.连接服务器(ip,port)
client.connect(('172.25.254.250',4002))
# 3.给服务端回复消息，send（self，data：***bytes***，flages：int=...）-> int:...
client.send('你好，服务器'.encode('utf-8'))

# 4.接收服务端回复的消息
recvData = client.recv(1024)
print('客户端接收的信息：', recvData.decode('utf-8'))

# 5.关闭客户端socket对象
client.close()

应用：模拟QQ聊天
代码实现（服务端）：

import socket
# 1.创建对象
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 2.创建地址和端口
server.bind(('172.25.254.49', 4002))
# 3.监听
server.listen(5)
print('服务端正在启动.....')
# 4.接收客户端的连接
ServerSocket, address = server.accept()
while True:
    # 5.接收客户端发送的消息
    recvData = ServerSocket.recv(1024)
    recv = recvData.decode('utf-8')
    print('服务端接收的信息：',recv )
    if recv == 'bye':
        break
    # 6.给客户端发送消息
    send_data = input("server:>>").encode('utf-8')
    ServerSocket.send(send_data)

# 7.关闭socket对象
server.close()
ServerSocket.close()

客户端：

import socket

# 1.创建一个socket对像；
client = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 2.连接服务端
client.connect(('172.25.254.49', 4022))
# 3.给服务端发送信息
while True:
    send_data = input('client:>>').encode('utf-8')
    client.send(send_data)

    if send_data.decode('utf-8') == 'bye':
        break
# 5.关闭客户端socket对象
client.close()

并发服务器

并发服务器是socket应用编程中最常见的应用模型。根据连接方式分为长连接和短连接.
长连接:建立SOCKET连接后不管是否使用都保持连接。
短连接：双方都有数据交互时，建立TCP连接，数据发送完成后断开连接。

并发服务器模型根据处理方式可分为同步方式和异步方式：

单进程服务器：
同⼀时刻只能为⼀个客户进⾏服务，不能同时为多个客户服务
类似于找⼀个“明星”签字⼀样，客户需要耐⼼等待才可以获取到服务

多进程服务器：
优点: 通过为每个客户端创建⼀个进程的⽅式，能够同时为多个客户端进⾏服务
缺点: 当客户端不是特别多的时候，这种⽅式还⾏，如果有⼏百上千个，就不 可取了，因为每次创建进程等过程需要好较⼤的资源

代码实现框架(服务端)：

import socket
from multiprocessing import Process


def dealWithClient(ServerSocket, clientAddress):
    while True:
        # 5.接收客户端发送的消息
        recvData = ServerSocket.recv(1024)
        recv = recvData.decode('utf-8')
        print(clientAddress[0] + str(clientAddress[1]) + ':>' + recv)
        if recv == 'quit':
            break
    ServerSocket.close()


# 1.创建对象
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 2.创建地址和端口
server.bind(('172.25.254.49', 4022))
# 3.监听
server.listen(5)
print('服务端正在启动.....')
# 4.接收客户端的连接

while True:
    ServerSocket, address = server.accept()
    p = Process(target=dealWithClient, args=(ServerSocket, address))
    p.start()

多线程服务器

gevent版-TCP服务器