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地址的表现形式

  • IP 地址分为两类： IPv4 和 IPv6
  • 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。

• 查看IP地址

  • Linux 和 mac OS 使用 ifconfig 这个命令

• Windows 使用 ipconfig 这个命令

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

0x01：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

• Socket 类型

• socket类方法

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

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

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。