百万年薪python之路 -- 网络通信原理

1. C/S B/S架构

C: Client 客户端 B: Browse 浏览器 S: Server 服务端

C/S架构: 基于客户端与服务端之间的通信

eg: QQ,微信,LOL,DNF等需要安装Application应用的,都采用C/S架构

优点: 个性化设置,响应速度快

缺点: 开发成本,维护成本高,占用空间,用户固定

B/S架构: 基于浏览器与服务端之间的通信

eg: 谷歌浏览器,火狐浏览器,360浏览器等等

优点: 开发和维护成本低,占用空间相对低,用户不固定

缺点: 功能单一,没有个性化的设置,响应速度相对慢一点.

2. 网络通信原理

1. 先通过错综复杂的物理线路连通

2. 确定对方的软件(应用层)的位置

3. 通过一揽子网络协议达到规范化

3. osi七层协议

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

• 简单串联五层协议以及作用

  物理层: 指的是网线,光纤,双绞线等物理连接介质

  ​ 物理层发送的是比特流: 010101010101011010101010001

  数据链路层: 物理层发送的比特流应该按一定的规律去分组,

  ​ 所以数据链路层功能: 对比特流进行分组

  ​ 这里有一个对数据分组的标准: 以太网协议

  ​ 一组数据叫做一帧,数据报

  ​ head | data | tail

  ​ head固定的长度为14字节

  ​ 源MAC地址: 6字节

  ​ 目标MAC地址: 6字节

  ​ 类型: 2字节

  ​ data: 最少是46字节,最大1500字节.

  ​ tail: 固定为4字节,用于FCS(帧检验,采用CRC循环冗余码)

  ​ MAC地址: 每个电脑上有一个网卡,往网卡上都记录一个独一无二的地址,而MAC地址就是我们计算机网卡上标注的地址, 12位16进制数组成: 前六位是厂商编号,后六位是流水线号,eg:'1C-1B-0D-A4-E6-44'

  #### 计算机通信方式

  ​ 同一个局域网内,通过广播的形式通信
  

  

  还有两个没有解决:
      不同局域网如何通信
      软件与软件的通信,而不是计算机之间的通信

  网络层:

  ​ 通过IP协议确定局域网(子网)的位置

  传输层:

  ​ 端口协议: 确定软件在计算机的位置

  应用层: 各种应用协议和自己定义的协议

  广播(局域网内) + mac地址(计算机位置) + ip(局域网的位置) + 端口(软件在计算机的哪个位置)

  有以上四个参数:你就可以确定世界上任何一个计算机的软件的位置.

• 对五层协议详细的补充说明

  • 数据链路层的补充:

    同一个局域网通过广播的形式发送数据

    交换机的mac地址学习功能:

    一个交换机的5个接口: 5个计算机.

    1: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    2: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    3: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    4: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    5: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    接口1: 源mac 1C-1B-0D-A4-E6-44 目标1C-1C-0D-A4-E5-44 |数据 以广播的形式发出

    2,3,4,5口都会接收到消息,5口是最终的目标地址,交换机就会将5口与mac地址对应上.

    1: 1C-1B-0D-A4-E6-44

    2: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    3: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    4: FF-FF-FF-FF-FF-FF

    5: 1C-1C-0D-A4-E5-44

    当五个口都对应上具体的mac地址,2口再次发消息,就不会广播了,就会以单播发送.

    我们的前提是什么? 你必须知道对方的mac地址你才可以以广播的形式发消息.实际上,网络通信中,你只要知道对方的IP与自己的IP即可.

    如果想要给一个计算机发数据,就一定要知道对方的ip地址

    ARP协议: 通过对方的ip的地址获取到对方的mac地址

    

    源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据

    1B-1B-0D-A4-E6-54 1C-1B-0D-A4-E6-44 172.16.10.156 172.16.10.13 数据

    总结:
    前提:知道目标mac:
        计算机A 发送一个消息给 计算机B
        源码mac 目标mac 源IP 目标IP 数据
        单播的形式发送到交换机,交换机会检测自己的对照表有没有目标mac,如果有,单播传.如果没有,交由上一层: 路由器:
    路由器收到消息: 对消息进行分析:
    要确定目标计算机与本计算机是否在同一网段,
        如果在同一网段,直接发送给对应的交换机,交换机在单播发给目标mac.
        如果不是在同一网段: 通过ip的路由表进行某种路由算法得出
    前提:不知道目标mac:
        计算机A 发送一个消息给 计算机B
        源码mac 目标mac不知道 源IP 目标IP 数据
        单播的形式发送到交换机,交换机交由上一层路由器:路由器收到消息: 对消息进行分析:

  要确定目标计算机与本计算机是否在同一网段,

    如果在同一网段通过 IP以及ARP协议获取到对方的mac地址,然后在通信.
    如果不是在同一网段: 一般得不到mac
    **主机ID为全0时表示网络ID，全1时表示广播地址** 

  - #### 网络层:
      IP协议:
      ip地址:四段点分十进制  192.168.14.141
      取值范围: 0~255.0~255.0~255.0~255
      子网掩码: C类子网掩码: 255.255.255.0
      ip地址 + 子网掩码  按位与运算 计算出是否在同一局域网(子网,网段)
      ```python
      计算172.16.10.1 与 172.16.10.128
      172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.00000001
      255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000
      从属于的局域网: 172.16.10.0
      172.16.10.128：10101100.00010000.00001010.10000000
      255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000
      从属于的局域网: 172.16.10.0
      172.16.10.1 ~172.16.10.255
      C类子网掩码 一个网段最多可以承载多个IP地址?
      172.16.10.0 全网地址  被占用
      172.16.10.255 广播地址 被占用.
      所以C类 一个网段最多为254台计算机
  

  • 传输层:

    端口协议: UDP协议,TCP协议

    一共有2的16次方个(0~65535)

    0~1023 操作系统专门使用的端口

    eg: 3306 数据库

    自己开发的软件都是8080以后的端口

  

4. UDP TCP 协议

TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、流式协议, 传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用TCP的应用：Web浏览器；文件传输程序。

UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文(数据包)，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用UDP的应用：域名系统 (DNS)；视频流；IP语音(VoIP)。

5. TCP协议的三次握手和四次挥手

通俗易懂版三次握手:

TCP三次握手过程

传输连接具有三个阶段：连接建立、数据传送以及连接释放。传输连接管理就是对连接建立以及连接释放过程的管控，使得其能正常运行，达到这些目的：使通信双方能够确知对方的存在、可以允许通信双方协商一些参数（最大报文段长度、最大窗口大小等等）、能够对运输实体资源进行分配（缓存大小等）。TCP连接的建立采用客户-服务器模式：主动发起连接建立的应用进程叫做客户，被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。

连接建立阶段：

第一次握手：客户端的应用进程主动打开，并向客户端发出请求报文段。其首部中：SYN=1,seq=x。

第二次握手：服务器应用进程被动打开。若同意客户端的请求，则发回确认报文，其首部中：SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y。

第三次握手：客户端收到确认报文之后，通知上层应用进程连接已建立，并向服务器发出确认报文，其首部：ACK=1,ack=y+1。当服务器收到客户端的确认报文之后，也通知其上层应用进程连接已建立。

在这个过程中，通信双方的状态如下图，其中CLOSED：关闭状态、LISTEN：收听状态、SYN-SENT：同步已发送、SYN-RCVD：同步收到、ESTAB-LISHED：连接已建立

至此，TCP连接就建立了，客户端和服务器可以愉快地玩耍了。只要通信双方没有一方发出连接释放的请求，连接就将一直保持。

第一次握手可以检验服务端的接收功能是否健全

第二次握手可以检测客户端的发送功能和接收功能是否健全.

第三次握手可以检测服务端的发送功能是否健全.

问题一:为什么三次握手:

为什么A还要发送-次确认呢?这主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传
送到了B,因而产生错误。
所谓“已失效的连接请求报文段”是这样产生的。考虑一种正常情况。A发出连接请
求，但因连接请求报文丢失而未收到确认。于是A再重传一次连接请求。后来收到了确
认，建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接。A共发送了两个连接请求报文段，其中
第一个丢失，第二个到达了B.没有“已失效的连接请求报文段”。
现假定出现一-种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某
些网络结点长时间滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达B.本来这是-个早
已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是A又发出一-次新的连
接请求。于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用三次握手，那么只要B
发出确认，新的连接就建立了。
由于现在A并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬B的确认，也不会向B发送数
据。但B却以为新的运输连接已经建立了，并一直等待A发来数据。B的许多资源就这样
白白浪费了。
采用三次握手的办法可以防止上述现象的发生。例如在刚才的情况下，A不会向B的
确认发出确认。B由于收不到确认，就知道A并没有要求建立连接。

四次挥手连接释放过程

第一次挥手：数据传输结束以后，客户端的应用进程发出连接释放报文段，并停止发送数据，其首部：FIN=1,seq=u。

第二次挥手：服务器端收到连接释放报文段之后，发出确认报文，其首部：ack=u+1,seq=v。此时本次连接就进入了半关闭状态，客户端不再向服务器发送数据。而服务器端仍会继续发送。

第三次挥手：若服务器已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知服务器释放TCP连接。这个阶段服务器所发出的最后一个报文的首部应为：FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。

第四次挥手：客户端收到连接释放报文段之后，必须发出确认：ACK=1,seq=u+1,ack=w+1。 再经过2MSL(最长报文端寿命)后，本次TCP连接真正结束，通信双方完成了他们的告别。

在这个过程中，通信双方的状态如下图，其中：ESTAB-LISHED：连接建立状态、FIN-WAIT-1：终止等待1状态、FIN-WAIT-2：终止等待2状态、CLOSE-WAIT：关闭等待状态、LAST-ACK：最后确认状态、TIME-WAIT：时间等待状态、CLOSED：关闭状态

问题二: 在结束连接的过程中，为什么在收到服务器端的连接释放报文段之后，客户端还要继续等待2MSL(最长报文段寿命)之后才真正关闭TCP连接呢？

原因:需要保证服务器端收到了客户端的最后一条确认报文。假如这条报文丢失，服务器没有接收到确认报文，就会对连接释放报文进行超时重传，而此时客户端连接已关闭，无法做出响应，就造成了服务器端不停重传连接释放报文，而无法正常进入关闭状态的状况。而等待2MSL，就可以保证服务器端收到了最终确认；若服务器端没有收到，那么在2MSL之内客户端一定会收到服务器端的重传报文，此时客户端就会重传确认报文，并重置计时器。