23.网络编程【一】
【一】常见的网络结构模型
1）CS模型
1.概念
-
C/S：Client/Server缩写，即 客户端/服务器 模式
-
例如：APP
2.优缺点
优势：
- 针对客户端可以高度定制
- 减轻服务器的负载
- 更加方便的管理数据库
缺点：
- 需要下载安装才能使用
- 维护成本比较高
2）BS模型
1.概念
- B/S：Browser/Server的缩写 ，即 浏览器/服务器 模式
- 例如：网页
2.优缺点
优点
- 维护升级方便
- 一个项目部署到服务器上，docker启动容器
- docker启动容器一：1.停，3.数据更新，4.测试，6.启
- docker启动容器二：2.启，5.停
- 成本降低，选择性更多
- 只需要给一个地址，就能通过地址访问指定资源，不会因为操作系统更新而更改
缺点
- 服务器负载比较重
- 所有数据都存储在服务器上
- 读取某部分数据的时候，会因为服务器在跑其他项目，而占用一部分系统资源，导致服务器卡顿
【二】操作系统与网络通信
1）什么是网络编程
- 指通过编程语言在计算机之间建立通信的一种方式
- 是在互联网是进行数据传输的关键组成部分，使计算机能够互相通信、交换信息、共享资源
- 其涉及许多不同技术和协议：TCP/IP（传输控制协议/因特网协议）、HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）等
- 这些协议规定了如何在网络是传输数据，以及如何在网络上创建、管理、维护连接
总结：网络编程的研究前提就是基于互联网、网络编程就是基于互联网编写代码
2）学习网络编程目的
- 为了开发基于客户端/服务器（C/S）架构的应用程序
- 组成：客户端（运行在用户设备）、服务器（运行在一台或多台服务器上）
总结：学习后可以开发C/S架构的软件
3）网络编程发展史
1.网络编程的来源
- 网络编程起源于美国军方的需求，他们希望能够实现不同计算机之间的数据交互。
- 然而，在没有网络编程技术的情况下，他们只能采用物理媒体（如磁带或硬盘）进行数据复制和传输。
- 因此，军方开始研究如何通过计算机网络实现更高效的数据交换，从而诞生了网络编程技术。
总结：该技术源于美国军方>>>:很多先进的技术都是由军事发明后续转为民用
2.实际应用
-
随着计算机硬件的发展和互联网的普及，网络编程逐渐应用于各种领域，包括商业、教育、娱乐、科学研究等。
-
现在，我们可以通过网络编程技术开发各种类型的应用程序，例如网页浏览器、社交媒体平台、在线游戏等。
-
实际中的例子
-
- 军方想要实现不同计算机之间数据交互
- 没有网络编程技术的时候只能拿U盘拷贝并携带
- 为了跨区域交互数据所以发明了网络编程
4）早期远程通信
1.起初：座机电话
- 彼此打电话需要电话线
- 早期的远程通信主要依赖于座机电话，人们通过拨号将语音信号转换成电信号，然后通过电话线路将这些信号发送到另一端，接收方再将电信号转换回语音信号。
2.后来：大屁股电脑
- 数据交互需要插网线
- 随着个人计算机的出现，人们可以利用调制解调器（也称为猫）通过电话线路进行数据传输。
- 这种方式被称为异步转移模式（Async Transfer Mode，ATM），虽然速度较慢，但它是最早的宽带网络之一。
3.现在：智能手机
- 数据交互需要无限网卡
- 远程通信的前提是必须具备一个物理链接介质
- 现在，我们可以通过无线网络（如Wi-Fi、蜂窝数据网络）与互联网进行无缝通信。
- 智能手机已经成为我们生活中不可或缺的一部分，我们可以随时随地访问电子邮件、浏览网页、观看视频、下载音乐等。
5）互联网协议
- 不同计算机之间要想实现无障碍交互，除了需要有物理链接介质之外还需要一套公有的标准
- 互联网协议是用于规范网络通信的标准规则。
- 它们定义了如何在网络上传输数据，以及如何在网络上建立、管理和维护连接。
- 一些常见的互联网协议包括：
- TCP/IP：传输控制协议/因特网协议，是互联网的基础协议，负责确保数据包从源节点安全、可靠地传输到目的地节点。
- HTTP：超文本传输协议，是Web的主要协议，用于在客户端和服务器之间传输HTML文档和其他类型的内容。
- FTP：文件传输协议，用于在计算机之间传输文件。
【三】操作系统与互联网的本质
1）操作系统
- Operating System，简称OS：是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序
- 是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件
- 任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
计算机(硬件)－>OS－>应用软件
2）互联网的本质
是一系列的网络协议
- 英语成为世界上所有人通信的统一标准，如果把计算机看成分布于世界各地的人
- 那么连接两台计算机之间的 Internet 实际上就是一系列统一的标准，
- 这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为“互联网协议”（Internet Protocol Suite)。
- 互联网协议的功能：定义计算机如何接入 Internet，以及接入 Internet 的计算机通信的标准。
【四】OSI七层协议介绍
- TCP/IP四层
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 网络接口层
- TCP/IP五层
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 数据链路层，物理层
- OSI七层
- 应用层，表示层，会话层
- 传输层
- 网络层
- 数据链路层，物理层
1)每层运行常见物理设备
- 传输层：四层交换机、四层的路由器
- 网络层：路由器、三层交换器
- 数据链路层：网桥、以太网交换机、网卡
- 物理层：中续器、集线器、双绞线
【五】TCP/IP五层
1）物理层
1.由来
- 孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网
2.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
2）数据链路层
1.由来
- 单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思
2.功能
- 定义了电信号的分组方式
3.补充
[1]以太网协议
●早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议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 | data |
|---|
●head包含：(固定18个字节)
○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字节，最长1500字节)
○数据包的具体内容
●head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送
[2]mac地址
●head中包含的源和目标地址由来：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）
○ether 00:16:3e:1a:83:a0
[3]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，即计算机通信基本靠吼
3）网络层
1.网络知识补充
[1]什么是互联网？
●互联网是一种全球性的计算机网络，通过将数十亿台设备、网络和数据中心互相连接的方式实现信息共享。
●总结：将计算机连接起来的介质
[2]互联网建立的目的
●方便人们在全球范围内进行信息交流和数据交换。
●基于互联网的数据交互可以使用户在任何时间、任何地点获取所需的信息和服务，大大提高了信息传递的速度和效率。
●总结：基于互联网做数据交互
[3]上网的本质
●或服务器进行通信。在这种通信中，用户可以通过发送请求来获取所需的资源，如网页内容、电子邮件、文件等，同时也可以向其他用户提供自己的资源。
●基于网线去访问其他计算机的资源
其实我们的计算机也可以称之为服务器/服务端(专门对外提供服务)
2.由来
●有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由
●一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，
●这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难
●上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，
●就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关
3.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，这套地址即网络地址
4.补充
[1]IP协议
●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
●范围0.0.0.0-255.255.255.255
●一个IP地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1
[2]IP地址分成两部分
●网络部分：标识子网
●主机部分：标识主机
●注意：单纯的IP地址段只是标识了IP地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网
●例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网
[3]子网掩码
●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172.16.10.1，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。
●知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。
○方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同
○如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
●比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，
○172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001
○255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
●AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
○172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
○255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
●AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
●结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。
●总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。
[4]IP数据包
●IP数据包也分为head和data部分，无须为IP包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分
○head：长度为20到60字节
○data：最长为65,515字节。
●而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。
●因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。
| 以太网头 | IP头 | IP数据 |
|---|---|---|
[5]ARP协议
●ARP协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到通信是基于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
●例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24
○一：首先通过IP地址和子网掩码区分出自己所处的子网
| 场景 | 数据包地址 |
|---|---|
| 同一子网 | 目标主机mac，目标主机IP |
| 不同子网 | 网关mac，目标主机IP |
○二：分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标IP为172.16.10.1,通过ARP获取的是网关的mac)
| 源mac | 目标mac | 源IP | 目标IP | 数据部分 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 发送端主机 | 发送端mac | FF:FF:FF:FF:FF:FF | 172.16.10.10/24 | 172.16.10.11/24 | 数据 |
○三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，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
4）传输层
1.传输层的由来
●网络层的IP帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，
●那么我们通过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，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。
2.传输层功能
●建立端口到端口的通信
●补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口
3.TCP协议与UDP协议
[1]TCP协议
●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。
| 以太网头 | IP头 | TCP头 | 数据 |
|---|---|---|---|
●TCP三次握手和四次挥手
[2]UDP协议
●不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
| 以太网头 | IP头 | UDP头 | 数据 |
|---|---|---|---|
5）应用层
1.应用层由来
●用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式
2.应用层功能
●规定应用程序的数据格式。
●例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据
○比如Email、WWW、FTP等等。
○那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。
【六】scoket层
1)简介
- 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。
- 也有人将socket说成ip+port
- ip是用来标识互联网中的一台主机的位置
- 而port是用来标识这台机器上的一个应用程序
- ip地址是配置到网卡上的
- 而port是应用程序开启的
- ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序
- 而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识
2）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
- 基于网络型的。
1.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
2.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，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)
3）套接字工作流程
1.流程分析(打电话)
# （1）打电话
# 一部手机
# 一张电话卡 ： 用来表是哪个号是你本人的
# 拨打电话：
# 和打出去的电话的人建立联系
# 和对方进行交流
# 挂断电话
# （2）接电话
# 一部手机
# 一张电话卡 ： 用来表是哪个号是你本人的
# 接听电话
# 和打进来的电话的人建立联系
# 和对方进行交流
# 挂断电话
2.流程分析
# （1）接电话 --- 服务端
# 一部手机：初始化 socket 对象
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
# 拨打电话：listen 监听当前是否有人接通电话
# 和打出去的电话的人建立联系 ： accept 接收到客户端连接 进行阻塞 connect 连接
# 和对方进行交流 ：send 发送信息
# 挂断电话 close
# （2）接电话 --- 客户端
# 一部手机 ： 初始化 socket 对象
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
# 接听电话 ： connct
# 和打进来的电话的人建立联系 connect 连接
# 和对方进行交流 ： send 发送信息
# 挂断电话 close
3.代码分析
import socket
# （1）接电话 --- 服务端
# 一部手机：初始化 socket 对象
# family=-1 : AF_INET
# type=-1 : SOCK_STREAM --- 基于TCP的流式协议
# proto=-1 : 0
# 初始化 socket 对象 ： 获得到一个基于TCP的流式协议的TCP对象
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
ip = '127.0.0.1'
port = 9000
server.bind((ip, port))
# 拨打电话：listen 监听当前是否有人接通电话
# 半连接池
server.listen(5)
# 和打出去的电话的人建立联系 ： accept 接收到客户端连接 进行阻塞 connect 连接
conn, addr = server.accept()
# 只能发送二进制数据
data = ''
conn.send(data.encode())
# 和对方进行交流 ：send 发送信息
data = conn.recv(1024) # 1kb = 1024字节
print(data.decode())
# 挂断电话 close
conn.close()
server.close()
# （2）接电话 --- 客户端
# 一部手机 ： 初始化 socket 对象
client = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
ip = '127.0.0.1'
port = 9000
client.connect((ip, port))
# 接听电话 ： connct
# 和打进来的电话的人建立联系 connect 连接
data = client.recv(1024)
print(data.decode())
# 和对方进行交流 ： send 发送信息
data = ''
client.send(data.encode())
# 挂断电话 close
client.close()
4）代码初识
1.服务端
import socket
# （1）接电话 --- 服务端
# 一部手机：初始化 socket 对象
# family=-1 : AF_INET
# type=-1 : SOCK_STREAM --- 基于TCP的流式协议
# proto=-1 : 0
# 初始化 socket 对象 ： 获得到一个基于TCP的流式协议的TCP对象
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
ip = '127.0.0.1'
port = 8001
server.bind((ip, port))
# 拨打电话：listen 监听当前是否有人接通电话
# 半连接池
server.listen(5)
# 和打出去的电话的人建立联系 ： accept 接收到客户端连接 进行阻塞 connect 连接
conn, addr = server.accept()
# 只能发送二进制数据
from_server_to_client_send_data = f'我是来自服务端的一条数据'
conn.send(from_server_to_client_send_data.encode())
# 和对方进行交流 ：send 发送信息
from_client_to_server_recv_data = conn.recv(1024) # 1kb = 1024字节
print(from_client_to_server_recv_data.decode())
# 挂断电话 close
conn.close()
server.close()
2.客户端
import socket
# （2）接电话 --- 客户端
# 一部手机 ： 初始化 socket 对象
client = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
# 一张电话卡 ：与本地的端口进行绑定
ip = '127.0.0.1'
port = 8001
client.connect((ip, port))
# 接听电话 ： connct
# 和打进来的电话的人建立联系 connect 连接
from_server_to_client_recv_data = client.recv(1024)
print(from_server_to_client_recv_data.decode())
# 和对方进行交流 ： send 发送信息
from_client_to_server_send_data = '我是来自客户端的一条数据'
client.send(from_client_to_server_send_data.encode())
# 挂断电话 close
client.close()
