网络编程基础之C/S架构和TCP/IP协议

一、何谓C/S架构

　　C指的是client（客户端软件），S指的是Server（服务端软件），既然我们的的标题是网络编程基础，

那我们就一起来学习怎样写一个C/S架构的软件，实现服务端与客户端软件基于网络的通信。

二、必备计算机基础知识

　　1、众所周知，我们开发的软件都是应用软件，必须运行在操作系统上，操作系统则运行于硬件之上，

而应用软件是无法直接操作硬件的，而是调用操作系统的接口，由操作系统操纵硬件。

　　2、客户端和服务端之间信息传递的流程

　　　　<1> 客户端产生数据，存放于客户端软件内存中，然后调用操作系统的接口将数据发送给系统内存；

　　　　<2> 客户端操作系统收到数据后，按照客户端软件指定的规则（协议），调用网卡发送数据；

　　　　<3> 通过网络传输数据；

　　　　<4> 服务端软件调用系统接口，准备从操作系统内存中的数据拷到自己的内存中；

　　　　<5> 服务端操作系统收到服务端软件的指令后，使用与客户端相同协议，从网卡接收数据，然后

拷贝给服务端软件。

　　如图所示：

三、TCP/IP

　　1、TCP/IP协议的含义？

　　TCP/IP协议是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，

又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础。

　　2、起源：

　　　　TCP/IP协议诞生于1974年，它有一个非常重要的特点，就是开放性，即TCP/IP的规范和Internet的技术都是公开的。

目的就是使任何厂家生产的计算机都能相互通信，使Internet成为一个开放的系统，这正是后来Internet得到飞速发展的重要原因。

　　3、TCP/IP的五层模型

　　　　用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，

越往下越靠近硬件。五层由底层到顶层依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

　　　　<1>物理层

　　　　　　物理层功能：主要是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。通过光缆、电缆、

双绞线和无线电波等将独立的计算机连接起来。

　　　　<2>数据链路层

　　　　　　1、数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式，因为单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少为一组，

每组对应什么意思，才能实现真正意义上的信息传递。

　　　　　　2、以太网协议（即 ethernet）

　　　　　　　　ethernet规定：一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’；每一数据帧分成：报头head和数据data两部分。

　　　　　　　　　　head包含：18个字节。分配是发送者(源地址)：6个字节；接收者（目标地址）：6个字节；数据类型：6个字节。

　　　　　　　　　　data包含：最短46个字节，最长是1500个字节。存放的是数据包的具体内容。

　　　　　　　　　　　64字节 <= head长度 + data长度 <=1518字节 ，超过最大长度限制就分批发送。

　　　　　　　　mac地址：

　　　　　　　　　　head中包含的源地址和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端

的地址便是指网卡的地址，即mac地址。

　　　　　　　　　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数

表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）。

　　　　　　　　广播：有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）

ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信。

　　　　<3>　网络层

　　　　　　　　网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，避免信息传送的混乱，这套地址即网络地址。

　　　　　　　　IP协议：

　　　　　　　　　　1、规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，

　　　　　　　　它规定网络地址由32位2进制表示；

　　　　　　　　　　2、范围0.0.0.0-255.255.255.255；

　　　　　　　　　　3、一个ip地址通常写成四段十进制数，例：192.168.10.1。

　　　　　　　　子网掩码：

　　　　　　　　　　　含义：

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址192.168.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，

　　　　　　　　　　　　那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

　　　　　　　　　　　作用：

　　　　　　　　　　　　　　子网掩码是用来标识一个IP地址的哪些位是代表网络位，以及哪些位是代表主机位。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

　　　　　　　　　　　　       区分网络位和主机位是为了划分子网，就是把一个大网络分成多个小网络。

　　　　　　　　IP地址分类：

　　　　　　　　　　IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。　　　　　　　

1. 1. 1. A类IP地址：一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1亿多个主机。
      2. B类IP地址 ：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机 。
      3. C类IP地址：一个2C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。
      4. D类地址用于多点广播（Multicast）： D类IP地址第一个字节以“lll0”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。
      5. E类IP地址 以“llll0”开始，为将来使用保留。

　　　　　　　　

　　　　　　　　注意：全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址；回环地址(127.0.0.1) 又称为本机地址。

　　　　　　　　IP报文：

　　　　　　　　　　IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的数据都以IP数据格式传输。

　　　　　　　　ARP协议：

　　　　　　　　　　我们已经知道通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议。

　　　　　　　　ARP协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址。

　　　　　　　　协议工作方式：每台主机ip都是已知的。

　　　　　　　　协议工作流程：以主机192.168.1.10/24 访问 192.168.1.11/24（/24代表这个二进制掩码的前24位是1，后8位是0 换算成10进制数字就是255.255.255.0）

　　　　　　　　　　一、首先通过ip地址和子网掩码区分自己所处的子网

　　

　　　　　　　　　　二、分析192.168.1.10/24与192.168.1.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么目标ip为192.168.1.11/24,通过arp获取的是网关的mac)。

　　　　　　　　　　三、这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac。

　　　　　　　　ICMP：IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么，自然的，保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP(网络控制报文)协议。

　　　　　　　　当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会.

　　　　　　　　所以我们一般主要用ICMP协议检测网络是否通畅，基于ICMP协议的工具主要有ping 和traceroute。

　　　　　　　　ping：利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户通过丢包率就可以判断网络大致的情况。

　　　　　　　　traceroute：用来查看从当前主机到某地址一共经过多少跳路由。

　　　　<4> 传输层

　　　　　　我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序呢？答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

　　　　　　传输层功能：建立端口到端口的通信。

　　　　　　注意：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

　　　　　　传输层协议包括两种：TCP和UDP，如下图所示：

　　

　　　　　　TCP协议：是一种可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

　　　　　　　　　　为何TCP协议可靠，因为只要没得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。

　　　　　　UDP协议：是不可靠的传输，“报头”部分为8字节，总长度不超过65535字节，可以放进一个IP数据包。

　　　　TCP协议和UDP协议的比较：

　　　　　　TCP协议虽然安全性高，但网络开销大，而UDP协议虽然不如TCP可靠，但网络开销小，在如今这个网络安全已经相对较高

的情况下，为保证传输效率，UDP协议还是一种不错的选择。

以上内容摘录整理自https://www.luffycity.com/python-book/di-6-zhang-wang-luo-bian-7a0b-socket-kai-fa/62.html