网络编程socket之一

　　从今年10月22号开始我的python学习之路，一个月下来，磕磕碰碰，勉勉强强把基础部分算是学完了，一个月走过来，我过着别人看似单调，重复的生活，确实是，每天，每周都是一样的生活模式，早上7点40起床，吃个早餐，8点到达教室，中午1点去吃个午饭，然后回到教室，下午6点去吃个晚饭，然后回到教室，待到晚上11点回家洗个澡睡觉，每天都一样的。我的朋友会问我，这样的生活不无聊吗？我回答是不，我的朋友可能认为两年的军旅生活早就让我习惯了单调无味的生活，我觉得有可能两年军旅生活确实让我有强大的适应性，但我认为最主要的是我真心觉得学习编程语言让我很感兴趣，以前的我感觉网络啊，计算机等这类东西感觉好遥远，根本无法触及，但现在我能去控制它，是多么牛逼的事。前一个月基础部分不算很难，只要逻辑思维跟上，就基本不是问题，而且涛哥真的讲的很好，很有耐心，很感谢涛哥。从这周三开始接触网络编程，一上来就很懵逼，什么ip啊，mac地址啊，交换机啊，路由器等等关于计算机和网络的东西真的让我很萌，根本不知道是啥，相当于重新认知新事物，但几天学习下来，感觉这类东西是要学习的，但对于现阶段的我来说，不用太深入去专研，而主要是的是学会网络编程过程，接下来，我就把这几天所学到知识跟大家分享一下。

一，名词解释

　　路由器：电脑上所有与公网之间的消息的传递的进出口都在路由器上，路由器有公网ip，这个ip是全球网络连接的唯一标识，路由器具有消息转发的功能

　　交换机：主要是把连接到交换机上的电脑连接到一起，其次是交换机还可以设定一个ip范围，从而使得广播的范围缩小

　　ip：ip分为两个，一个是电脑上由交换机分配的ip，这个ip在一个子网内是不可以重复的；另一个是公网ip，是路由器上的，这个是全球网络连接间的唯一标识

　　mac地址：电脑上的网卡在出厂时被烧制上的全球唯一标识码

　　dhcp协议：这是交换机上动态分配电脑ip的协议

　　arp协议：这是交换机上的ip和mac对应表，我们可以通过ip来查找出对应的mac地址

　　dns服务器：这是域名解析器，我们可以通过输入域名来查找对应的公网ip

　　网关：这相当于路由器上看门的，也就是 路由器上的公网ip，在公网上传输的数据，只有在目标ip和网关一致时，网关才会让数据进来

　　子网掩码：主要用于判断两个ip是否属于一个子网

二，网络通信流程

　　上图为网络通信流程图，主要分为以下三种情况：（以下三种情况描述纯属个人行为，不正确之处请指正）

　　一、从1号电脑传输数据到2号电脑

　　首先1号电脑把数据发到交换机a，数据主要包括2号电脑ip，自身电脑ip和mac地址，加上真正要传的内容，数据到交换机a后，经过arp协议，加上2号电脑的ip获得对应的mac地址，交换机a就会在自身所连接的子网内广播，在这子网内的电脑都会收到信息，在2号电脑收到消息后，确认是自己ip和mac地址，然后就确认接收数据，其他的电脑确认不是自身的ip和mac，就直接扔掉，这样就完成了 数据传输。

　　二、从1号电脑传输数据到3号电脑

　　首先1号电脑把数据发到交换机a，数据主要包括3号电脑ip，自身电脑ip和mac地址，加上真正要传的内容，数据到交换机a后，交换机a就会在自身所连接的子网内广播，但没找到，于是把数据抛给路由器，然后由路由器广播到接入此路由器的交换机，找到对应的交换机2，通过交换机2广播，找到3号电脑，完成通信。

　　三，从1号电脑到4号服务器

　　首先在1号电脑上浏览器上输入4号服务器上一个网的域名，通过dns服务器查找域名对应的公网ip，然后把请求一层层发到路由器，路由器经过计算最有路径，找到目标公网ip对应的路由，然后根据公网ip和程序端口号找到要访问的网页，然后服务器在刚才的路径返回回去，把网页内容返回给1号电脑，此时我们就完成了通信，就可以上网了。

三，两种架构

　　c/s架构：即client客户端/server服务端架构，比如qq，微信，客户端需要下载应用程序，安装之后才可以使用

　　b/s架构：即browser浏览器端和server服务器端，比如各种网页啊，这个是不需要下载安装应用程序

四、osi七层模型

五，tcp协议和udp协议区别

　　tcp协议：可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用tcp的应用：web浏览器；文件传输程序

　　udp协议：不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文(数据包)，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用udp的应用：域名系统 (dns)；视频流；ip语音(voip)

在tcp协议下，是基于连接的，为了保证数据安全，存在一个三次握手，四次挥手的过程，而udp协议无连接的，所以没有这过程。

三次握手：

1. tcp服务器进程先创建传输控制块tcb，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了listen（监听）状态；
2. tcp客户进程也是先创建传输控制块tcb，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位syn=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，tcp客户端进程进入了 syn-sent（同步已发送状态）状态。tcp规定，syn报文段（syn=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3. tcp服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ack=1，syn=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，tcp服务器进程进入了syn-rcvd（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
4. tcp客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ack=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，tcp连接建立，客户端进入established（已建立连接）状态。tcp规定，ack报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入established状态，此后双方就可以开始通信了。 

四次挥手：

　　数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于established状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。服务端也可以主动关闭，一个流程。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，fin=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入fin-wait-1（终止等待1）状态。 tcp规定，fin报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ack=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了close-wait（关闭等待）状态。tcp服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个close-wait状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入fin-wait-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，fin=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了last-ack（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ack=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了time-wait（时间等待）状态。注意此时tcp连接还没有释放，必须经过2∗∗msl（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的tcb后，才进入closed状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入closed状态。同样，撤销tcb后，就结束了这次的tcp连接。可以看到，服务器结束tcp连接的时间要比客户端早一些。

六、套接字socket

　　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。

七、基于tcp下的socket

在tcp下，基于连接的，需要先启动服务端，在启动客户端。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

服务端程序
import socket        #引入模块
server=socket.socket()    #创建server对象
ip_port=('192.168.15.78',8888)    #声明服务端的ip和程序端口
server.bind(ip_port)       #把ip_port绑定到对象
server.listen()       #监听
while 1:
    conn,addr=server.accept()    #等待客户端连接
    while 1:
        server_msg=input('服务端：')      
        conn.send(server_msg.encode('utf-8'))    #向客户端发送消息
        from_client_msg=conn.recv(1024)      #接收客户端消息
        print(from_client_msg.decode('utf-8'))
        if from_client_msg.decode('utf-8')=='byebye':     #如果收到消息为byebye，就断开此次连接，继续等待下一个客户端连接
            break            #这就是优雅的断开
    conn.close()
server.close()

客户端程序
import socket
client=socket.socket()
server_ip_port=('192.168.15.78',8888)  #设置要连接服务端程序的ip和端口
client.connect(server_ip_port)    #进行连接
while 1:
    from_server_msg=client.recv(1024)     #接收服务端消息
    print(from_server_msg.decode('utf-8'))
    client_msg=input('客服端：')    
    client.send(client_msg.encode('utf-8'))     #向服务端发送消息
    if client_msg=='byebye':            #如果输入为byebye，就断开连接
        break
client.close()

tcp属于长连接，长连接就是一直占用着这个链接，这个连接的端口被占用了，第二个客户端过来连接的时候，他是可以连接的，但是处于一个占线的状态，就只能等着去跟服务端建立连接，除非一个客户端断开了(优雅的断开可以，如果是强制断开就会报错，因为服务端的程序还在第一个循环里面)，然后就可以进行和服务端的通信了

八、基于udp协议下的socket

基于udp协议下的socket是不需要连接的。服务器端先初始化socket，然后与端口绑定(bind)，recvform接收消息，这个消息有两项，消息内容和对方客户端的地址，然后回复消息时也要带着你收到的这个客户端的地址，发送回去，最后关闭连接，一次交互结束

服务端
import socket
server=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_dgram)
server_ip_port=('192.168.12.39',8888)
server.bind(server_ip_port)

while 1:
    from_client_msg, adrr = server.recvfrom(1024)
    print('来自%s的消息：%s'%(adrr,from_client_msg.decode('utf-8')))
    if from_client_msg.decode('utf-8')=='bye':
        break
    msg=input('请输入：')
    msg1=msg+','+from_client_msg.decode('utf-8').replace('sb','alexsb')
    server.sendto(msg1.encode('utf-8'),adrr)

客户端
import socket
client=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_dgram)
server_ip_port=('192.168.12.39',8888)
while 1:
    msg=input('请输入：')
    client.sendto(msg.encode('utf-8'),server_ip_port)
    if msg=='bye':
        break
    from_server_msg,adrr=client.recvfrom(1024)
    print(from_server_msg.decode('utf-8'))
client.close()