0x00:计算机网络基础

一、IP地址的介绍

  • IP地址的概念

    • IP地址(Internet Protocol Address)是指互联网协议地址,又译为网际协议地址。
    • IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式,它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址,以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址

  • IP地址的表现形式

    • IP 地址分为两类: IPv4IPv6
    • IPv4 是普遍正在被广泛使用的IP协议
    • IPv6 是现阶段为了解决IPv4地址不够用的情况而正在普及的下一代IP协议
    • IPv4 是由点分十进制组成
    • IPv6 是由冒号十六进制组成
  • IP地址的作用

IP 地址的作用是标识网络中唯一的一台设备的,也就是说通过IP地址能够找到网络中某台设备。

IP的作用

  • 查看IP地址

    • Linux 和 mac OS 使用 ifconfig 这个命令

Linux下查询本机IP地址

  • Windows 使用 ipconfig 这个命令

windows下查询本机IP地址

二、端口和端口号

  • 什么是端口、什么是端口号

即为数据传输的通道,若将IP地址比作一座房子的地址 ,那么端口就是出入房子的门;

然而真正的房子只有几个门,但是一个IP地址的端口可以有65536个;

端口是通过端口号来标记的,端口号只有整数,范围是从0 到65535。

  • 端口号的分类

    • 知名端口:0 - 1023
    • 动态端口:1024 - 65535

三、协议

  • TCP协议

    • TCP的概念

    传输控制协议(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

    • TCP通信流程

      1. 建立连接(三次握手)
      2. 传输数据
      3. 关闭连接(四次挥手)
    • TCP的特点

      • 面向连接
      • 可靠传输
  • UDP协议

    • 概念

    用户数据报协议(User Datagram Protocol)是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议

    • UDP的特点

      • 面向报文
      • 无连接
      • 吞吐量不受拥挤控制算法的调节
  • socket

    • 什么是socket

    网络套接字(英语:Network socket;又译网络套接字、网络接口、网络插槽)在计算机科学中是电脑网络中进程间数据流的端点,是一种操作系统提供的进程间通信机制。

    • socket的作用

    进程之间网络数据传输

socket


0x01:TCP网络开发流程

TCP网络开发流程

一、TCP客户端程序开发流程

  • 流程梳理

    1. 创建服务端套接字对象
    2. 绑定监听端口
    3. 设置监听
    4. 等待客户端的连接请求
    5. 接受数据
    6. 返回数据
    7. 关闭套接字

二、TCP服务端程序开发流程

  • 流程梳理

    1. 创建客户端套接字对象
    2. 和服务端套接字建立连接
    3. 发送数据
    4. 接受数据
    5. 关闭客户端套接字

0x02:TCP网络开发

一、socket类

Python 中,我们用 socket()函数来创建套接字,语法格式如下:

import socket

socket.socket([family[, type[, proto]]])
  • 参数
参数描述
family套接字家族可以使AF_UNIX或者AF_INET
type套接字类型可以根据是面向连接的还是非连接分为SOCK_STREAMSOCK_DGRAM
protocol一般不填默认为0
  • Socket 类型
类型描述
socket.AF_UNIX只能够用于单一的Unix系统进程间通信
socket.AF_INET服务端与客户端之间通讯协议(IPv4)
socket.AF_INET6服务端与客户端之间通讯协议(IPv6)
socket.SOCK_STREAM使用TCP传输协议进行数据传输(流式socket)
socket.SOCK_DGRAM使用UDP传输协议进行数据传输(数据报式socket)
socket.SOCK_RAW原始套接字;可以处理普通套接字无法处理的ICMP,IGMP等特殊的网络报文
socket.SOCK_RDM提供可靠的UDP数据报连接,即保证交付数据报但不保证数据
socket.SOCK_SEQPACKET提供连续可靠的数据包连接
  • socket类方法
方法描述
_socket.bind(address)将套接字绑定到地址;在AF_INET下,以元组(host,port)的形式表示地址。
_socket.listen(backlog)开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前,可以挂起的最大连接数量。
_socket.setblocking(bool)是否阻塞(默认True),如果设置False,那么accept和recv时一旦无数据,则报错。
_socket.accept()接受连接并返回(conn,address),其中conn是新的套接字对象,可以用来接收和发送数据。address是客户端的地址。
_socket.connect(address)连接到address处的套接字。一般情况下address的格式为元组(hostname,port),如果连接出错,返回socket.error错误。
_socket.connect_ex(address)同上,只不过会有返回值,连接成功时返回 0 ,连接失败时候返回错误代码
_socket.close()关闭套接字连接
_socket.recv(bufsize[,flag])接受套接字的数据。数据以字符串形式返回,bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息,通常可以忽略。
_socket.recvfrom(bufsize[.flag])与recv()类似,但返回值是(data,address)。其中data是包含接收数据的字符串,address是发送数据的套接字地址。
_socket.send(string[,flag])将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量,该数量可能小于string的字节大小。即:可能未将指定内容全部发送。
_socket.sendall(string[,flag])将string中的数据发送到连接的套接字,但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None,失败则抛出异常。内部通过递归调用send,将所有内容发送出去。
_socket.sendto(string[,flag],address)将数据发送到套接字,address是形式为(ipaddr,port)的元组,指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。
_socket.settimeout(timeout)设置套接字操作的超时期,timeout是一个浮点数,单位是秒。值为None表示没有超时期。
_socket.getpeername()返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组(ipaddr,port)。
_socket.getsockname()返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
_socket.fileno()套接字的文件描述符

一、TCP客户端程序开发

import socket   # 导入socket包
if __name__ == '__main__':
    # 创建socket套接字   AF_INET -> 采用IPv4 ;SOCK_STREAM -> 采用TCP传输协议
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 与服务端建立连接
    client_socket.connect(('127.0.0.1', 9091))
    # 准备需要发送的数据,使用UTF-8进行编码
    _data = 'Connect Succces!'.encode('utf-8')
    # 发送数据
    client_socket.send(_data)
    # 获取服务端返回数据
    _recv = client_socket.recv(1024)
    # 打印服务端返回的原始数据
    print('获得来自服务器的原始数据:', _recv)
    # 对数据进行解码
    _decode = _recv.decode('utf-8')
    print('获得来自服务器的数据:', _decode)
    # 关闭socket套接字
    client_socket.close()

二、TCP服务端程序开发

  • 单任务版
import socket # 导入socket包
if __name__ == '__main__':
    # 创建socket套接字   AF_INET -> 采用IPv4 ;SOCK_STREAM -> 采用TCP传输协议
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 设置启用端口复用,当程序结束时,立即释放端口号
    server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    # 绑定监听端口号
    server_socket.bind(("0.0.0.0", 9091))
    # 配置监听最大等待连接个数
    server_socket.listen(128)
    # 等待客户端建立连接请求,返回(conn,info),若无连接则会一直保持阻塞状态
    # 其中conn由service_socket接收,是与客户端建立连接的套接字
    # info由client_info接收,是客户端的地址与端口信息
    service_socket, client_info = server_socket.accept()
    print('客户端的IP地址和端口号:', client_info)
    # 获取客户端发送的原始数据
    _renv = service_socket.recv(1024)
    # 获取原始数据的长度
    _length = len(_renv)
    print('接收数据的长度为:', _length)
    # 对原始数据进行解码
    _decode = _renv.decode('utf-8')
    print('接收客户端的数据为:', _decode)
    # 准备需要返回的数据,使用UTF-8进行编码
    _data = '问题处理中...'.encode('utf-8')
    # 发送数据
    service_socket.send(_data)
    # 关闭服务端与客户端的套接字
    service_socket.close()
    # 关闭服务端套接字
    server_socket.close()
  • 多任务版

在现实生产环境中,一个服务端不可能只就服务于一个客户端;通常一个服务端是要能服务多个客户端,以下是多任务的实现思路:

  1. 编写一个TCP服务端程序,循环等待接受客户端的连接请求
  2. 当客户端和服务端建立连接成功,创建子线程,使用子线程专门处理客户端的请求,防止主线程阻塞
  3. 把创建的子线程设置成为守护主线程,防止主线程无法退出。
import socket
import threading
# 客户端服务处理函数
def handle_client_request(_socket, _info):
    while True:
        # 获取客户端发送的原始数据
        _data = _socket.recv(1024)
        # 容器类型判断是否有数据可以直接使用if语句进行判断,如果容器类型里面有数据表示条件成立,否则条件失败
        # 容器类型: 列表、字典、元组、字符串、set、range、二进制数据
        if _data:
            print(_data.decode("utf-8"), _info)
            # 回复
            _socket.send("数据接收正常...".encode("utf-8"))
        else:
            print("客户端下线了:", _info)
            break
    # 关闭服务端与客户端的套接字
    _socket.close()

if __name__ == '__main__':
    # 创建socket套接字   AF_INET -> 采用IPv4 ;SOCK_STREAM -> 采用TCP传输协议
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 设置启用端口复用,当程序结束时,立即释放端口号
    tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    # 绑定监听端口号
    tcp_server_socket.bind(("", 9090))
    # 配置监听最大等待连接个数
    tcp_server_socket.listen(128)
    # 循环等待接收客户端的连接请求
    while True:
        # 等待客户端建立连接请求,返回(conn,info),若无连接则会一直保持阻塞状态
        # 其中conn由service_socket接收,是与客户端建立连接的套接字
        # info由client_info接收,是客户端的地址与端口信息
        service_socket, client_info = tcp_server_socket.accept()
        print("客户端连接成功:", client_info)
        # 当客户端和服务端建立连接成功以后,创建一个子线程处理接下来的客户端讯息
        client_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_socket, client_info))
        # 设置守护主线程,当主线程退出时自动终止子线程
        client_thread.setDaemon(True)
        # 启动子线程
        client_thread.start()

三、网络开发注意点

  1. 当 TCP 客户端程序想要和 TCP 服务端程序进行通信的时候必须要先建立连接
  2. TCP 客户端程序一般不需要绑定端口号,因为客户端是主动发起建立连接的。
  3. TCP 服务端程序必须绑定端口号,否则客户端找不到这个 TCP 服务端程序。
  4. listen 后的套接字是被动套接字,只负责接收新的客户端的连接请求,不能收发消息。
  5. 当 TCP 客户端程序和 TCP 服务端程序连接成功后, TCP 服务器端程序会产生一个新的套接字,收发客户端消息使用该套接字。
  6. 关闭 accept 返回的套接字意味着和这个客户端已经通信完毕
  7. 关闭 listen 后的套接字意味着服务端的套接字关闭了,会导致新的客户端不能连接服务端,但是之前已经接成功的客户端还能正常通信。
  8. 当客户端的套接字调用 close 后,服务器端的 recv 会解阻塞,返回的数据长度为0,服务端可以通过返回数据的长度来判断客户端是否已经下线,反之服务端关闭套接字,客户端的 recv 也会解阻塞,返回的数据长度也为0

0x03:socket中 send 与 recv原理剖析

send和recv原理

$$ send -> 发送缓冲区 -> 网卡 -> 网卡 -> 接收缓冲区 -> recv $$

send原理

Q:send是不是直接把数据发给服务端?

A:不是,要想发数据,必须得通过网卡发送数据,应用程序是无法直接通过网卡发送数据的,它需要调用操作系统接口,也就是说,应用程序把发送的数据先写入到发送缓冲区(内存中的一片空间),再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡

recv原理

Q:renv是不是直接从客户端接收数据?

A:不是,应用软件是无法直接通过网卡接收数据的,它需要调用操作系统接口,由操作系统通过网卡接收数据,把接收的数据写入到接收缓冲区(内存中的一片空间),应用程序再从接收缓存区获取客户端发送的数据

Last modification:August 8th, 2020 at 09:51 pm
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