Python网络编程（OSI模型、网络协议、TCP）

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 ：

 

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

或

 

四层模型：

1.     应用层 ：  应用层   表示层  会话层
2.     传输层 ：  传输层
3.     网络层 ：  网络层
4.     物理链路层： 链路层和物理层

或

 

五层模型（tcp/ip模型）：

1.     应用层 ： 应用层   表示层  会话层
2.     传输层 ： 传输层
3.     网络层 ： 网络层
4.     链路层 ： 链路层
5.     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：

1.   高内聚：每个模块功能尽量单一，不会多个功能掺杂
2.   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

1.         本地使用：127.0.0.1 或 “localhost”
2.         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:

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

 

网络连接测试

    ping 172.18.32.47

 

特殊ip

1.     127.0.0.1            本地IP测试
2.     0.0.0.0                自动使用本地可用网卡IP
3.     192.168.1.0        代表网段
4.     192.168.1.1        通常为网关地址
5.     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'xc0xa8x01x02'
•     socket.inet_ntoa(b'xc0xa8x012')
•      '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：

1.     socket.getservbyname('ssh')
2.     22

1.     socket.getservbyname('mysql')
2.     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’

1. 客户端向服务器发送链接请求
2. 服务器接受到请求进行确认，返回确认报文
3. 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）：

1. 不保证传输的可靠性
2. 没有建立连接和断开的过程
3. 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：

1.            connfd：新的套接字，用于和客户端通讯
2.            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：

 

from socket import *

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

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：

from socket import *

# 创建套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# 绑定地址
sockfd.bind(("0.0.0.0", 8888))
# 设置监听
sockfd.listen(5)
# 等待客户端链接
print("waiting for connect....")
conn, addr = sockfd.accept()
print("Connect from", addr)
print("Connect from", conn)

# 消息收发
while True:
    data = conn.recv(1024)
    if data.decode() == "":
        n = conn.send(b"Bey")
        break
    print("Receive", data.decode())
    n = conn.send(b"Receive your message")
    print("send %d" % n)
# 关闭套接字
conn.close()
sockfd.close()

客户端：

# tcp_client.py

from socket import *

sockfd = socket()
sockfd.connect(("172.18.32.31", 8888))
while True:
    msg = input("Msg>>")
    if msg == "":
        break
    sockfd.send(msg.encode())
    data = sockfd.recv(1024)
    # if msg == "Bye":
    #     break
    print(data.decode())
sockfd.close()

简单的消息传输：