Python之路(第三十篇) 网络编程：socket、tcp/ip协议

一、客户端/服务器架构

1.硬件C/S架构(打印机)

打印机作为一个服务端，电脑连接打印机进行打印

2.软件C/S架构

　　互联网中处处是C/S架构

　　如谷歌网站是服务端，你的浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种）

　　腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频）

C/S架构与socket的关系：

我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

二、什么是tcp/ip协议

​ 计算机之间通讯需要遵循一定的互联网协议，比如tcp/ip协议，大量的计算机之间进行通讯组成了计算机网络，网络的核心即一堆协议，协议即标准，由于tcp/ip协议太过于复杂，这时需要用socket层对tcp/ip协议进行精简，提供相应的接口以便更加方便的调用。所以学习socket一定要先学习互联网协议。

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

每层运行常见物理设备

TCP/IP 是一类协议系统，它是用于网络通信的一套协议集合，传统上来说 TCP/IP 被认为是一个四层协议。

1) 网络接口层:

物理层：主要是指物理层次的一些接口,比如电缆等．

提供计算机互通的物理介质， 基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

数据链路层：

定义电信号的分组方式，使用以太网协议封装数据格式（数据报头（18个字节双方地址+数据类型）+数据）

2) 网络层:

提供独立于硬件的逻辑寻址,实现物理地址与逻辑地址的转换．

在 TCP / IP 协议族中，网络层协议包括 IP 协议（网际协议），ICMP 协议（ Internet 互联网控制报文协议），以及 IGMP 协议（ Internet 组管理协议）.

网络层引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址（IPV4/IPV6）

3) 传输层:

为网络提供了流量控制,错误控制和确认服务.

在　TCP / IP　协议族中有两个互不相同的传输协议： TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）.

建立端口到端口的通信（应用软件使用的端口号）。

4) 应用层:

为网络排错,文件传输,远程控制和　Internet 操作提供具体的应用程序

数据包在 TCP / IP　协议中数据先由上往下将数据装包，然后由下往上拆包

在装包的时候，每一层都会增加一些信息用于传输，这部分信息就叫报头，当上层的数据到达本层的时候，会将数据加上本层的报头打包在一起，继续往下传递．

在拆包的时候，每一层将本层需要的报头读取后，就将剩下的数据往上传．

这个过程有点像俄罗斯套娃，所以有时候人们也会用俄罗斯套娃来形容这个过程.

tcp的三次握手四次挥手

三次握手：1.客户端对服务端发送同步请求(建立连接通道)；2.服务端响应后，发送同步请求(建立连接通道)和发送确认数据(这里的两个请求被合并成一个了)；3.客户端向服务端发送确认数据。

四次挥手：1.客户端发送端口结束包给服务端，2.服务端收到以后返回确认信息给客户端；3.服务端发送端口结束包给客户端；4.客户端确认信息返回给服务端。

区别：四次挥手的过程中，服务端返回给客户端的确认信息之后不会立刻关闭，有可能会继续给客户端发送数据，所以必须得有四次挥手

三、socket是什么

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。

没有socket之前

有socket之后

为什么socket翻译为套接字？

socket中文翻译为套接字，socket英文本义为孔和插座的意思。

套接字发展史及分类

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。

*基于文件类型的套接字家族*

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

*基于网络类型的套接字家族*

套接字家族的名字：AF_INET

还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族.

*family(socket家族)*

• socket.AF_UNIX：用于本机进程间通讯，为了保证程序安全，两个独立的程序(进程)间是不能互相访问彼此的内存的，但为了实现进程间的通讯，可以通过创建一个本地的socket来完成

• socket.AF_INET:(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET)

*socket type类型*

• socket.SOCK_STREAM #for tcp

• socket.SOCK_DGRAM #for udp

• socket.SOCK_RAW #原始套接字，普通的套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文，而SOCK_RAW可以；其次，SOCK_RAW也可以处理特殊的IPv4报文；此外，利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。

• socket.SOCK_RDM #是一种可靠的UDP形式，即保证交付数据报但不保证顺序。SOCK_RAM用来提供对原始协议的低级访问，在需要执行某些特殊操作时使用，如发送ICMP报文。SOCK_RAM通常仅限于高级用户或管理员运行的程序使用。

• socket.SOCK_SEQPACKET #废弃了

套接字工作流程

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理。

​ 服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束.

socket函数

服务端套接字函数

• s.bind() 绑定(主机,端口号)到套接字

• s.listen() 开始TCP监听

• s.accept() 被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来

客户端套接字函数

• s.connect() 主动初始化TCP服务器连接

• s.connect_ex() connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常

公共用途的套接字函数

• s.recv() 接收数据

• s.send() 发送数据(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完，可后面通过实例解释)

• s.sendall() 发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)

• s.sendto() 发送UDP数据

• s.recvfrom()接收UDP数据 Receive data from the socket. The return value is a pair (bytes, address)

• s.getpeername() 连接到当前套接字的远端的地址

• s.close() 关闭套接字

• socket.setblocking(flag) #True or False,设置socket为非阻塞模式，以后讲io异步时会用

• socket.getaddrinfo(host, port, family=0, type=0, proto=0, flags=0) 返回远程主机的地址信息，例子 socket.getaddrinfo('google.com',80)

• socket.getfqdn() 拿到本机的主机名

• socket.gethostbyname() 通过域名解析ip地址

• s.getsockopt() 返回指定套接字的参数

• s.setsockopt() 设置指定套接字的参数

面向锁的套接字方法

• s.setblocking() 设置套接字的阻塞与非阻塞模式

• s.settimeout() 设置阻塞套接字操作的超时时间

• s.gettimeout() 得到阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字的函数

• s.fileno() 套接字的文件描述符

• s.makefile() 创建一个与该套接字相关的文件

参考链接

[1]https://blog.csdn.net/yulyu/article/details/69062288

[2]https://www.zhihu.com/question/21383903