Python 进阶（一）网络编程初探

发布时间：2023年12月20日

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一 网络编程

Python 提供了两个级别访问的网络服务：

  • 低级别的网络服务支持基本的 Socket，它提供了标准的 BSD Sockets API，可以访问底层操作系统Socket接口的全部方法。
  • 高级别的网络服务模块 SocketServer， 它提供了服务器中心类，可以简化网络服务器的开发。
  1. Socket编程： Python提供了socket库，可用于创建网络套接字，进行基本的网络通信。您可以使用这个库创建TCP或UDP服务器和客户端。
  2. 网络框架： 有许多Python网络框架，例如Django和Flask，用于构建Web应用程序。这些框架提供了高级功能，如路由、模板引擎和数据库集成。
  3. 异步编程： Python的asyncio库使异步网络编程变得更容易。它允许您编写异步服务器和客户端，以提高性能和并发性。
  4. Web爬虫： 如果您对网络数据抓取和爬取感兴趣，可以使用库如Beautiful Soup和Requests来创建Python Web爬虫。
  5. 网络安全： Python也有一些库用于网络安全，例如cryptography库，可用于加密和解密数据，以及ssl库，用于处理安全套接字连接。

有些是我们后面需要学习的东西，首先我们来学习Socket模块

1.1 Socket

socket()函数是Python中用于创建套接字对象的函数。它属于socket模块，用于初始化套接字以进行网络通信。socket()函数通常用于两种类型的套接字：流套接字（用于TCP通信）和数据报套接字（用于UDP通信）。以下是socket()函数的一般语法：

socket.socket(family, type[, proto])
  • family：指定地址族（地址簇），通常使用socket.AF_INET表示IPv4，或者socket.AF_INET6表示IPv6。
  • type：指定套接字类型，可以是socket.SOCK_STREAM（用于TCP）或socket.SOCK_DGRAM（用于UDP）等。
  • proto：（可选）指定协议号。通常不需要指定，如果省略，则根据family和type自动选择协议。

以下是一些示例用法：

  1. 创建一个TCP套接字：
import socket

tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  1. 创建一个UDP套接字：
import socket

udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

socket()函数返回一个套接字对象，该对象可以用于与其他计算机建立连接、发送和接收数据等网络通信操作。在创建套接字后，您可以使用其他方法来设置套接字的属性、绑定地址和端口、连接到远程主机等，具体操作取决于您的网络通信需求。

内部方法

以下是一些常见的内部方法：

  1. **bind(address)**：将套接字绑定到指定的地址和端口，使其可以监听该地址上的连接请求或接收来自该地址的数据。
  2. **listen(backlog)**：开始监听连接请求，其中backlog指定了在拒绝新连接之前可以排队的最大连接数。
  3. **accept()**：接受传入连接请求，返回一个新的套接字和客户端地址，用于与客户端通信。
  4. **connect(address)**：与指定地址的服务器建立连接，用于客户端套接字。
  5. **send(data)**：发送数据到已连接的套接字。对于TCP套接字，数据将以字节流形式发送。对于UDP套接字，数据将被封装在数据包中发送。
  6. **recv(bufsize)**：接收从套接字接收的数据，最多接收bufsize字节的数据。通常，这是一个阻塞操作，直到有数据可用。
  7. **sendto(data, address)**：将数据发送到指定的地址，用于UDP套接字。
  8. **recvfrom(bufsize)**：从UDP套接字接收数据，并返回数据和发送方的地址。
  9. **close()**：关闭套接字连接。一旦关闭，套接字将无法再用于通信。
  10. **getsockopt(level, optname[, buflen])**：获取套接字选项的值。
  11. **setsockopt(level, optname, value)**：设置套接字选项的值。

服务端

# ---encoding:utf-8---
# @Time    : 2023/9/9 09:43
# @Author  : Darwin_Bossen
# @Email   ：3139066125@qq.com
# @Site    :  Socket 服务端
# @File    : Server.py

import socket

# 0. 获取主机名和端口号
host = socket.gethostname()
port = 9999

# 1. 创建套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 2. 绑定端口
server_socket.bind((host, port))
# 3. 设置监听
server_socket.listen(128)

if __name__ == '__main__':
    while True:
        # 4. 等待客户端连接
        client_socket, client_addr = server_socket.accept()
        # 5. 接收数据
        recv_data = client_socket.recv(1024)
        # 6. 打印接收到的数据
        print(recv_data.decode("utf-8"))
        # 7. 发送数据
        client_socket.send("我收到了数据".encode("utf-8"))
        # 8. 关闭套接字
        client_socket.close()

客户端

# ---encoding:utf-8---
# @Time    : 2023/9/9 09:44
# @Author  : Darwin_Bossen
# @Email   ：3139066125@qq.com
# @Site    :  Socket 客户端
# @File    : Client.py
import socket

# 0. 获取主机名和端口号
host = socket.gethostname()
port = 9999

# 1. 创建套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 2. 连接服务器
client_socket.connect((host, port))

if __name__ == '__main__':
    # 3. 发送数据
    client_socket.send("hello".encode("utf-8"))
    # 4. 接收数据
    recv_data = client_socket.recv(1024)
    # 5. 打印接收到的数据
    print(recv_data.decode("utf-8"))
    # 6. 关闭套接字
    client_socket.close()

image.png
image.png

1.2 TCP 与UDP

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是两种不同的传输层协议，用于在计算机网络中传输数据。它们具有不同的特点和适用场景，下面是它们的主要区别和用途：

TCP（传输控制协议）

  1. 可靠性： TCP提供可靠的数据传输，确保数据按顺序到达，并且没有丢失或损坏。如果发生丢包或错误，TCP会重新传输丢失的数据。
  2. 连接导向： TCP是面向连接的协议，通信之前需要建立连接。它使用三次握手来确保双方都准备好进行通信，并在通信结束时使用四次挥手来关闭连接。
  3. 流式传输： TCP数据以字节流的形式进行传输，不保留消息边界。这意味着发送方和接收方需要自己管理消息的边界。
  4. 延迟较高： 由于TCP的可靠性和连接管理，它的传输延迟较高，适用于需要数据完整性和可靠性的应用，如Web浏览、电子邮件、文件传输等。
  5. 拥塞控制： TCP具有拥塞控制机制，可以动态调整传输速率以避免网络拥塞。

服务端：

import socket

# 创建TCP服务器套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 绑定地址和端口
server_address = ('127.0.0.1', 8080)
server_socket.bind(server_address)

# 开始监听连接
server_socket.listen(5)

print("等待客户端连接...")

while True:
    # 接受客户端连接
    client_socket, client_address = server_socket.accept()
    print(f"接受来自 {client_address} 的连接")

    # 与客户端通信
    data = client_socket.recv(1024)
    if not data:
        break
    print(f"接收到的数据: {data.decode()}")

    # 向客户端发送响应
    response = "Hello, client!"
    client_socket.send(response.encode())

    # 关闭客户端连接
    client_socket.close()

# 关闭服务器套接字
server_socket.close()

客户端：

import socket

# 创建TCP客户端套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 连接到服务器
server_address = ('127.0.0.1', 8080)
client_socket.connect(server_address)

# 发送数据到服务器
message = "Hello, server!"
client_socket.send(message.encode())

# 接收服务器的响应
response = client_socket.recv(1024)
print(f"服务器响应: {response.decode()}")

# 关闭客户端套接字
client_socket.close()

UDP（用户数据报协议）

  1. 不可靠性： UDP是一种不可靠的协议，不提供数据可靠性保证。它发送数据后不关心数据是否到达，可能会发生丢包或乱序。
  2. 无连接： UDP是面向无连接的协议，通信不需要建立连接。每个UDP数据包都是独立的，不保留状态信息。
  3. 消息边界： UDP保留消息的边界，这意味着每个UDP数据包都对应于一个完整的消息。
  4. 低延迟： 由于UDP不具备TCP的连接管理和拥塞控制，它通常具有较低的传输延迟。这使得它适用于实时应用，如语音通话、视频流、在线游戏等。
  5. 简单： UDP相对于TCP来说更简单，没有复杂的连接建立和维护过程。

服务端：

import socket

# 创建UDP服务器套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 绑定地址和端口
server_address = ('127.0.0.1', 8080)
server_socket.bind(server_address)

print("等待客户端消息...")

while True:
    # 接收来自客户端的消息和客户端地址
    data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
    print(f"接收来自 {client_address} 的消息: {data.decode()}")

    # 向客户端发送响应
    response = "Hello, client!"
    server_socket.sendto(response.encode(), client_address)

客户端：

import socket

# 创建UDP客户端套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 服务器地址和端口
server_address = ('127.0.0.1', 8080)

# 发送数据到服务器
message = "Hello, server!"
client_socket.sendto(message.encode(), server_address)

# 接收服务器的响应
response, server_address = client_socket.recvfrom(1024)
print(f"服务器响应: {response.decode()}")

# 关闭客户端套接字
client_socket.close()

1.3 Http

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是一种用于在网络上传输超文本的协议。它是互联网上应用最广泛的协议之一，通常用于在客户端和服务器之间传输Web页面、图像、视频、音频和其他资源。

主要特点

  1. 无状态协议： HTTP是一种无状态协议，每个HTTP请求都是独立的，服务器不会保留关于客户端的状态信息。这意味着每个请求都必须包含足够的信息来理解客户端的请求。
  2. 基于文本： HTTP通信基于文本，请求和响应都是文本数据，通常使用ASCII编码。这使得HTTP请求和响应容易阅读和调试。
  3. 请求-响应模型： HTTP遵循请求-响应模型。客户端发送HTTP请求，服务器接收并处理请求，然后返回HTTP响应。
  4. 支持多种请求方法： HTTP定义了多种请求方法，最常见的包括GET（获取数据）、POST（提交数据）、PUT（更新数据）、DELETE（删除数据）等。
  5. URL（Uniform Resource Locator）： HTTP使用URL来标识和定位资源。URL包括协议、主机名、端口号和路径等信息。

用途

  1. Web浏览： HTTP是Web浏览器和Web服务器之间的通信协议，用于请求和传输HTML页面、图像、CSS、JavaScript和其他Web资源。
  2. Web服务： HTTP用于构建Web服务，允许应用程序通过HTTP请求和响应进行通信。RESTful API通常基于HTTP协议。
  3. 文件传输： HTTP可以用于上传和下载文件，例如，通过HTTP POST请求上传文件到服务器，或通过HTTP GET请求下载文件。
  4. 电子邮件： HTTP也用于Webmail客户端与邮件服务器之间的通信，如使用HTTP请求来获取和发送电子邮件。
  5. 社交媒体： 社交媒体平台使用HTTP来传输用户生成的内容，如文本、图像、视频和音频。
  6. 应用程序集成： HTTP被广泛用于应用程序之间的通信，允许不同应用程序通过HTTP请求和响应来交换数据。

HTTP通常在TCP/IP协议栈的应用层上运行，并使用TCP作为传输层协议，但也可以通过TLS/SSL进行安全加密，形成HTTPS（HTTP Secure）以保护数据的传输安全。

# ---encoding:utf-8---
# @Time    : 2023/9/9 10:10
# @Author  : Darwin_Bossen
# @Email   ：3139066125@qq.com
# @Site    :  
# @File    : Http.py

# 导入http.server模块
import http.server
import socketserver

# 定义要使用的端口号
port = 8080

# 创建一个简单的HTTP请求处理程序
handler = http.server.SimpleHTTPRequestHandler

# 启动HTTP服务器并监听指定端口
with socketserver.TCPServer(("", port), handler) as httpd:
    print(f"Serving on port {port}")

    # 开始监听并处理HTTP请求
    httpd.serve_forever()
# Compare this snippet from 进阶语法\socket\HTTPServer.py:

1.4 扩展

OSI七层协议

OSI（Open Systems Interconnection）模型是一种计算机网络协议的抽象架构，用于将网络通信的不同方面分层并描述其功能。它将网络通信划分为七个不同的层次，每个层次都有特定的功能和责任。以下是OSI模型的七个层次，从底层到顶层：

  1. 物理层（Physical Layer）：
    • 主要负责传输数据的物理介质，如电缆、光纤和无线信号。
    • 定义了数据的传输速率、电压级别和物理接口标准。
    • 主要关注数据的物理传输。
  2. 数据链路层（Data Link Layer）：
    • 负责在直接相连的两个节点之间进行数据传输。
    • 提供了物理地址（MAC地址）的寻址和数据的错误检测和校正。
    • 分为两个子层：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。
  3. 网络层（Network Layer）：
    • 负责在网络中的不同节点之间进行数据传输。
    • 提供了逻辑地址（IP地址）的寻址和路由选择。
    • 主要关注数据的路由和跨网络传输。
  4. 传输层（Transport Layer）：
    • 负责端到端的数据传输，确保数据可靠性和完整性。
    • 提供了端口号的寻址，以及数据的流量控制和差错检测。
    • 主要关注数据的端到端传输。
  5. 会话层（Session Layer）：
    • 负责建立、管理和终止会话（会话是两个应用程序之间的通信会话）。
    • 提供了会话建立、同步和恢复功能。
    • 主要关注数据的会话管理。
  6. 表示层（Presentation Layer）：
    • 负责数据的格式转换和加密解密。
    • 提供了数据的编码、压缩和加密。
    • 主要关注数据的表示和编码。
  7. 应用层（Application Layer）：
    • 最高层，提供了应用程序之间的通信和交互。
    • 包括各种应用协议，如HTTP、FTP、SMTP等。
    • 主要关注用户应用和应用程序之间的通信。
网络通信的原理：
"网络存在的意义就是可以跨地域传输信息>>>>称之为通信"
网络 = 物理链接介质+互联网协议
"互联网的本质其实就是一堆协议"
3、os七层协议
# 互联网协议按照功能不同分为OSI七层或者TCP/IP五层或者TCP/IP四层
七层协议：
应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
五层协议：# 五层协议是将应用层、表示层、会话层统称为应用层
应用层、传输层、网络层、数据结构层、物理层
四层协议：# 就是在五层协议的基础上将数据链路层跟物理层统称为网络接口层
应用层、传输层、网络层、网络接口层
协议是什么：
    "协议就是规定数据的组织格式"
    格式：头部+数据部分
    封装过程：数据外部加头
    拆封过程：拆掉加上的头部获取数据
    
五层协议：
计算机1                     计算机2

应用层                       应用层
传输层          段           传输层
网络层          包           网络层
数据链路层       帧          数据链路层
物理层<--------交换机------>物理层

三次握手


TCP协议使用三次握手（Three-Way Handshake）来建立一个可靠的连接。三次握手的过程包括三个步骤，每个步骤都是一个TCP报文段（segment）的交换，以确保双方都能够正常通信。以下是三次握手的步骤：

  1. 第一步：客户端发送请求
    • 客户端首先创建一个TCP报文段，其中包含一个用于生成随机序列号的初始序列号（ISN）。
    • 客户端将报文段发送给服务器。
    • 客户端进入等待状态，等待服务器的确认。
  2. 第二步：服务器确认请求并发送响应
    • 服务器收到客户端的请求后，确认接收到了报文段。
    • 服务器生成自己的随机序列号，并在响应中包含客户端的初始序列号+1作为确认号（ACK）。
    • 服务器也创建一个报文段并将其发送回客户端。
    • 服务器进入等待状态，等待客户端的确认。
  3. 第三步：客户端确认响应
    • 客户端收到服务器的响应后，确认接收到了报文段。
    • 客户端将服务器的初始序列号+1作为确认号（ACK）发送给服务器。
    • 客户端也创建一个报文段并将其发送回服务器。
    • 此时，客户端和服务器都确认了彼此的请求和响应，并建立了连接。
    • 连接建立后，客户端和服务器可以开始在此连接上进行数据传输。

以下是三次握手的示意图：

客户端              服务器
  |                    |
  |   第一次握手：     |
  |   发送请求（SYN）  |
  |  -----------------> |
  |                    |
  |   第二次握手：     |
  |   确认请求（ACK）  |
  |  <----------------- |
  |                    |
  |   第三次握手：     |
  |   确认响应（ACK）  |
  |  -----------------> |
  |                    |
  |   连接建立         |

三次握手确保了双方都具备接收和发送数据的能力，并建立了一个可靠的连接。如果其中任何一方未能收到另一方的确认，或者出现其他问题，都会导致握手失败，连接不会建立。这有助于确保在数据传输开始之前，双方都已准备好进行通信。

四次挥手

TCP连接的四次挥手（Four-Way Handshake）是用于关闭一个已经建立的TCP连接的过程。它与三次握手不同，因为在关闭连接时，双方都可能还有未传输完的数据或未确认的数据，因此需要四个步骤来完成。以下是四次挥手的步骤：

  1. 第一步：客户端发送关闭请求
    • 客户端希望关闭连接，因此它发送一个TCP报文段，其中包含FIN标志（FIN = 1）。
    • 客户端进入FIN_WAIT_1状态，等待服务器的确认或拒绝。
  2. 第二步：服务器确认关闭请求
    • 服务器收到客户端的关闭请求后，发送一个确认报文段（ACK），其中包含客户端的序列号+1作为确认号。
    • 服务器进入CLOSE_WAIT状态，等待应用程序告知它可以关闭连接。
  3. 第三步：服务器发送关闭请求
    • 服务器的应用程序决定可以关闭连接后，服务器发送一个包含FIN标志的TCP报文段。
    • 服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认。
  4. 第四步：客户端确认关闭请求
    • 客户端收到服务器的关闭请求后，发送一个确认报文段（ACK），其中包含服务器的序列号+1作为确认号。
    • 客户端进入TIME_WAIT状态，等待一段时间以确保服务器收到了确认，然后关闭连接。
    • 服务器收到客户端的确认后，也关闭连接。
    • 客户端在TIME_WAIT状态等待的时间（称为2MSL，最大报文段寿命）过后，彻底关闭连接，释放资源。

以下是四次挥手的示意图：

客户端              服务器
  |                    |
  |   第一步：         |
  |   发送关闭请求（FIN）|
  |  -----------------> |
  |                    |
  |   第二步：         |
  |   确认关闭请求（ACK）|
  |  <----------------- |
  |                    |
  |   第三步：         |
  |   发送关闭请求（FIN）|
  |  -----------------> |
  |                    |
  |   第四步：         |
  |   确认关闭请求（ACK）|
  |  <----------------- |
  |                    |
  |   连接关闭         |

四次挥手确保了双方都能够完成数据传输，然后安全地关闭连接。在连接关闭之前，双方都有机会确认已经接收到的数据，并通知对方可以关闭连接。这有助于确保数据的完整性和可靠性。

文章来源:https://blog.csdn.net/Darwin_Bossen/article/details/132774192
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