python基础——网络编程

news/2024/10/15 11:16:12/

前言

互联网时代，现在基本上所有的程序都是网络程序，很少有单机版的程序了。网络编程就是如何在程序中实现两台计算机的通信。
Python语言中，提供了大量的内置模块和第三方模块用于支持各种网络访问，而且Python语言在网络通信方面的优点特别突出，远远
领先其他语言。 

通过本章，可以学到：
1 了解TCP和UDP
2 掌握编写UDP Socket客户端应用
3 掌握编写UDP Socket服务器端应用
4 掌握编写TCP Socket客户端应用
5 掌握编写TCP Socket服务器端应用

一、大白话OSI七层协议

互联网的本质就是一系列的网络协议，这个协议就叫OSI协议（一系列协议），按照功能不同，分工不同，人为的分层七层。实际上这个七层是不存在的。没有这七层的概念，只是人为的划分而已。区分出来的目的只是让你明白哪一层是干什么用的。
每一层都运行不同的协议。协议是干什么的，协议就是标准。

实际上还有人把它划成五层、四层。

七层划分为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

五层划分为：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

四层划分为：应用层、传输层、网络层、网络接口层。

二、TCP和UDP协议区别 

TCP 和 UDP 的优缺点无法简单地、绝对地去做比较：TCP 用于在传输层有必要实现可靠传输的情况；UDP 主要用于那些对高速传输
和实时性有较高要求的通信或广播通信。TCP 和 UDP 应该根据应用的目的按需使用。

  • TCP：适用于对传输可靠性和顺序性要求高的应用场景，保证数据不丢失、不乱序，并提供流量控制和拥塞控制。
  • UDP：适用于实时性要求高的应用，数据不必完全可靠传输，能容忍部分丢包，传输效率高。

2.1TCP 和 UDP 的主要区别

2.2 TCP协议特点

  • 面向连接：TCP 是面向连接的协议，通信双方在传输数据前必须建立一个连接，这个过程称为“三次握手”。
  • 可靠传输：TCP 提供可靠的数据传输服务，数据包的丢失、重复或顺序错误都会被检测并进行纠正。TCP使用确认机制，接收方必须确认收到的数据包。
  • 数据流控制：TCP 具有流量控制和拥塞控制机制，通过滑动窗口和慢启动等算法，确保网络资源不会被超载。
  • 有序传输：TCP 保证接收方按顺序接收到数据包，即使数据包乱序到达，TCP 也会重新排序。
  • 报文段：TCP 将数据划分为大小适当的报文段，每个报文段都包含一个序列号，用于顺序重组数据。
  • 应用场景：适用于对数据传输可靠性要求较高的场景，如文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、网页浏览（HTTP/HTTPS）等。

2. 3 UDP协议特点

  • 无连接：UDP 是无连接的协议，发送数据前不需要建立连接，也不会维持连接状态。发送方可以直接将数据报发送给接收方。
  • 不可靠传输：UDP 不保证数据能可靠地送达接收方，不进行数据重传、丢包检测、重排序等操作。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。
  • 没有流量控制：UDP 没有流量控制和拥塞控制机制，适用于对实时性要求高、对丢包敏感度较低的应用。
  • 数据报文：UDP 以数据报的形式发送，每个数据报是独立的，报文的大小不能超过 64KB。
  • 应用场景：适用于对实时性要求较高，传输效率重要、容忍一定丢包的应用场景，如视频会议、语音通信（VoIP）、实时游戏、DNS查询等。

 2.4 TCP建立连接的三次握手

 TCP是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。 一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起
来，其中的过程非常复杂， 只简单的描述下这三次对话的简单过
程：
1）主机A向主机B发出连接请求：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；
2）主机B向主机A发送同意连接和要求同步 （同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包 ：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；
3）主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”， 这是第三次握手。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步， 经过三次“对话”
之后，主机A才向主机B正式发送数据。

三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步， 经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

 第一步，客户端发送一个包含SYN即同步（Synchronize）标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号。
第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgement）
第三步，客户端也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。然后才开始通信的第二步：数据处理。

为什么TCP协议有三次握手,而UDP协议没有？

因为三次握手的目的是在client端和server端建立可靠的连接。保证双方发送的数据对方都能接受到，这也是TCP协议的被称为可靠的数据传输协议的原因。而UDP就不一样，UDP不提供可靠的传输模式，发送端并不需要得到接收端的状态，因此UDP协议就用不着使用三次握手。

2.5 TCP断开连接的四次挥手

 TCP建立连接要进行3次握手，而断开连接要进行4次：
第一次： 当主机A完成数据传输后,将控制位FIN置1，提出停止TCP连接的请求 ；
第二次： 主机B收到FIN后对其作出响应，确认这一方向上的TCP连接将关闭,将ACK置1；
第三次： 由B 端再提出反方向的关闭请求,将FIN置1 ；
第四次： 主机A对主机B的请求进行确认，将ACK置1，双方向的关闭结束.。
 由TCP的三次握手和四次断开可以看出，TCP使用面向连接的通信方式， 大大提高了数据通信的可靠性，使发送数据端和接收端在数据
正式传输前就有了交互， 为数据正式传输打下了可靠的基础。

三、基于TCP协议的socket套接字编程

3.1 什么是scoket？

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。

3.2 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和基于网络型的。

3.2.1 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

3.2.2 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)

3.3 套接字工作流程

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理。

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束，使用以下Python代码实现： 

import socket# socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填，默认值为 0
socket.socket(socket_family, socket_type, protocal=0)# 获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)# 由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *'，我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了，这样能大幅减短我们的代码
tcpSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

 3.3.1服务端套接字函数

3.3.2客户端套接字函数

3.3.3公共用途的套接字函数 

 3.3.4面向锁的套接字方法

 3.3.5面向文件的套接字的函数

3.4 基于TCP协议的套接字编程(循环)

3.4.1服务端

import socket
#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)
#2、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))
#3、开机
phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数
#4、等待电话连接
print('start....')
while True:  # 连接循环conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））# print(conn)print('已经有一个连接建立成功', client_addr)#5、通信：收\发消息while True:  # 通信循环try:print('服务端正在收数据...')data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数，没有数据会在原地一直等待收，即发送者发送的数据量必须>0bytes# print('===>')if len(data) == 0: break  #在客户端单方面断开连接，服务端才会出现收空数据的情况print('来自客户端的数据', data)conn.send(data.upper())except ConnectionResetError:break#6、挂掉电话连接conn.close()
#7、关机
phone.close()

3.4.2客户端

import socket
#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#2、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口
#3、通信：发\收消息
while True:  # 通信循环msg = input('>>: ').strip()  #msg=''if len(msg) == 0: continuephone.send(msg.encode('utf-8'))# print('has send----->')data = phone.recv(1024)# print('has recv----->')print(data)#4、关闭
phone.close()

3.5 模拟ssh远程执行命令

 3.5.1 服务端

from socket import *
import subprocess
server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1', 8080))
server.listen(5)
print('start...')
while True:conn, client_addr = server.accept()while True:print('from client:', client_addr)cmd = conn.recv(1024)if len(cmd) == 0: breakprint('cmd:', cmd)obj = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),  # 输入的cmd命令shell=True,  # 通过shell运行stderr=subprocess.PIPE,  # 把错误输出放入管道，以便打印stdout=subprocess.PIPE)  # 把正确输出放入管道，以便打印stdout = obj.stdout.read()  # 打印正确输出stderr = obj.stderr.read()  # 打印错误输出conn.send(stdout)conn.send(stderr)conn.close()
server.close()

  • conn.recv(1024)：从客户端接收最多 1024 字节的数据。recv() 方法会阻塞，直到接收到数据。接收的是客户端发来的命令。

    • 如果接收到的 cmd 长度为 0，则表示客户端关闭连接，跳出循环。

  • subprocess.Popen()：创建一个子进程来执行客户端发来的命令。

    • cmd.decode('utf8')：将接收到的命令解码成字符串，recv() 接收到的是字节数据。
    • shell=True：表示通过 shell 执行命令。
    • stderr=subprocess.PIPE 和 stdout=subprocess.PIPE：将标准输出和标准错误的输出重定向到管道，以便稍后读取。

  • stdout = obj.stdout.read()：读取子进程标准输出的内容。

  • stderr = obj.stderr.read()：读取子进程标准错误的内容。

  • conn.send(stdout) 和 conn.send(stderr)：将命令的执行结果或错误信息通过 conn 发送回客户端。

3.5.2客户端 

import socketclient = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)client.connect(('127.0.0.1', 8080))while True:data = input('please enter your data')client.send(data.encode('utf8'))data = client.recv(1024)print('from server:', data)client.close()

3.6 聊天室编程

3.6.1服务端

import socket
import threading
def handle_client(client_socket, client_address):print(f"{client_address} has connected.")while True:try:message = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')if not message:breakprint(f"{client_address}: {message}")broadcast(message, client_socket)except ConnectionResetError:breakprint(f"{client_address} has disconnected.")client_socket.close()def broadcast(message, client_socket):for client in clients:if client != client_socket:client.send(message.encode('utf-8'))if __name__ == "__main__":server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)server.bind(('127.0.0.1', 8080))server.listen(5)print("Server is running...")clients = []while True:client_socket, client_address = server.accept()clients.append(client_socket)client_handler = threading.Thread(target=handle_client, args=(client_socket, client_address))client_handler.start()

3.6.2客户端 

import socket
import threading
def receive_messages(client_socket):while True:try:message = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')if not message:breakprint(message)except ConnectionResetError:break
def main():client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)client_socket.connect(('127.0.0.1', 8080))thread = threading.Thread(target=receive_messages, args=(client_socket,))thread.start()while True:message = input()if message.lower() == 'exit':breakclient_socket.send(message.encode('utf-8'))client_socket.close()if __name__ == "__main__":main()

四、UDP编程介绍 、

        UDP协议时，不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口号，就可以直接发数据包。但是，能不能到达就不知道了。虽然用UDP传输数据不可靠，但它的优点是和TCP比，速度快，对于不要求可靠到达的数据，就可以使用UDP协议。创建Socket时， SOCK_DGRAM 指定了这个Socket的类型是UDP。绑定端口和TCP一样，但是不需要调用 listen() 方法，而是直接接收来自任何客户端的数据。 recvfrom() 方法返回数据和客户端的地址与端口，这样，服务器收到数据后，直接调用 sendto() 就可以把数据用UDP发给客户端。

4.1 DUP编程的实现

服务端

#coding=utf-8
from socket import *
#最简化的UDP服务端代码
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #创建UDP类型的套接字
s.bind(("127.0.0.1",8888))  #绑定端口,ip可以不写
print("等待接收数据！")
recv_data = s.recvfrom(1024)    #1024表示本次接收的最大字节数
print(f"收到远程信息:{recv_data[0].decode('gbk')},from {recv_data[1]}")
s.close()

客户端

#coding=utf-8
from socket import *
#最简化的UDP客户端发送消息代码
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #创建UDP类型的套接字
addr = ("127.0.0.1",8888)
data = input("请输入：")
s.sendto(data.encode("gbk"),addr)
s.close()

4.2 UDP持续接受信息 

服务端

#coding=utf-8
from socket import *
#最简化的UDP服务端代码
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #创建UDP类型的套接字
s.bind(("127.0.0.1",8888))  #绑定端口,ip可以不写
print("等待接收数据！")
while True:recv_data = s.recvfrom(1024)    #1024表示本次接收的最大字节数recv_content = recv_data[0].decode('gbk')print(f"收到远程信息:{recv_content},from {recv_data[1]}")if recv_content == "88":print("结束聊天！")breaks.close()

客户端

#coding=utf-8
from socket import *
#最简化的UDP客户端发送消息代码
s = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)  #创建UDP类型的套接字
addr = ("127.0.0.1",8888)while True:data = input("请输入：")s.sendto(data.encode("gbk"),addr)if data == "88":print("结束聊天！")breaks.close()

参考文献

大白话OSI七层协议 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

电脑间数据通信-OSI协议简述版 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

TCP协议的三次握手和四次挥手 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

基于TCP协议的socket套接字编程 - B站-水论文的程序猿 - 博客园
Socket抽象层 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

模拟ssh远程执行命令 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

粘包问题 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

解决粘包问题 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

基于UDP协议的socket套接字编程 - B站-水论文的程序猿 - 博客园

基于socketserver实现并发的socket编程 - B站-水论文的程序猿 - 博客园


http://www.ppmy.cn/news/1539403.html

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