网络 | 对IP、端口、TCP及socket原理的刨析

柔情只为你懂 2022-11-21 11:33 226阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *   *  对IP的介绍
             *  端口
             *  TCP介绍
             *  socket介绍
             *  TCP应用程序的注意点
             *  socket之send和recv的刨析原理
             *  如何用Python对TCP客户端与服务端进行开发呢
             *   *  首先介绍socket这个类
                 *  对客户端程序的开发
                 *  服务端程序开发
                 *  多线程实现可以接受多次数据
             *  醉后

#### 对IP的介绍 ####

> 概念：标识网络设备的地址

> 说明：分为IPv4(点分十进制)和IPv6(冒号十六进制)  
> `ping 网址` \- 是否能上网  
> `ping ip` \- 检查是否再同一个局域网内  
> `ping 127.0.0.1` \- 检查本地网卡是否正常

> 目前IPv4使用的较多，IPv6使用的较少

#### 端口 ####

> 概念：传输数据的通道，每个应用程序都有一个端口号

> 端口号分类：  
> 1）知名端口号：0-1023`（21-ftp、80-http、25-SMTP）`  
> 2）动态端口号：开发应用程序使用端口号`(1024-65535)`  
> 当运行一个程序默认会有一个端口号，退出时，相应的端口号会被释放

#### TCP介绍 ####

***网络程序间的通信流程***

> 由之前学习可知，传输数据知道ip及端口即可。但是注意，数据再发送之前需要选择一个对应的传输协议，保证程序之间按指定的传输规则进行数据的通信，这个传输协议就是TCP

***TCP概念***

> （创建连接 - 传输数据 - 关闭连接） 是传输控制协议，是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

***TCP特点***

> 1）面向连接：传之前建好连接，传后断，释放资源。  
> 2）可靠传输：TCP采用发送应答 机制、超时重传、错误校验、流量控制和阻塞管理（会先写到缓存区）。

#### socket介绍 ####

> 概念：是进程之间通信一个工具(相当于插座)，进程之间进行通信需要基于socket。

> 作用：负责进程之间的网络数据传输，搬运工。

**下面由一张图来解释TCP客户端与服务端开发**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTkyNjU0Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

***TCP客户端开发流程***

> TCP客户端程序开发(用户设备上的程序) --> TCP服务端程序开发(服务器上的，提供数据)

***TCP的三次握手***

> 向服务器发送请建立连接的数据包 --> 服务器确认准备完成发送给客户端 --> 客户端再次确认准备完成发送给服务器

***客户端***

> 创建客户端套接字对象 --> 和服务器套接字建立连接 --> 发送数据 --> 接收数据 --> 关闭客户端套接字

***服务器***

> 创建服务端套接字对象 --> 绑定端口号 --> 设置监听 --> 等待接收客户端的连接请求 --> 接收数据 --> 发送数据 --> 关闭套接字

#### TCP应用程序的注意点 ####

> 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` 返回的套接字意味看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

#### socket之send和recv的刨析原理 ####

**缓冲区**

> 当创建TCPsocket对象时，会有一个发送缓冲区和接收缓冲区，缓冲区时内存的一片空间

**send原理刨析**

> send是直接将数据发送出去嘛？  
> 不是的，是必须通过网卡发送数据。应用程序是无法通过网卡发送数据，需要调用操作系统接口 意思是，应用程序把发送的数据先写到发送缓冲区，再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务器网卡

**recv原理刨析**

> 同样要调用操作系统接口，从接收缓冲区获取客户发送的数据

**下面再结合一张图来理解**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTkyNjU0Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**小结**

> 发送数据和接收数据最终都是由操作系统控制网卡来完成

#### 如何用Python对TCP客户端与服务端进行开发呢 ####

##### 首先介绍socket这个类 #####

> `socket`类：

创建客户端socket对象 - socket.socket(AddressFamily,Type)
        AddressFamily：ip地址的类型
        Type：传输协议类型
    客户端方法：
        connect((host,port))：表示和服务器套接字建立连接，host-服务器ip地址，port-应用程序端口
        send(data)：发送数据，data二进制数据
        recv(buffersize)：接收数据，buffersize每次接收数据的长度
    服务端方法：
        bind((host,type))：ip、端口
        listen(backlog)：backlog表示最大等待建立连接的个数，
        accpet()：等待接收客户端的连接请求
        send(data)：发送数据，data二进制数据
        recv(buffersize)：接收数据，buffersize每次接收数据的长度

##### 对客户端程序的开发 #####

import socket
    
    def Client():
        """ tcp客户端程序开发 不需要绑定端口号 """
        # 1、创建TCP套字接 # AF_INET代表ipv4、SOCK_STREAM代表tcp协议
        tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        # 2、和服务器建立连接 注意端口不能加引号
        tcp_client_socket.connect(("ip", 端口))
        # 3、向服务器发送数据
        tcp_client_socket.send("hello".encode())
        # 4、接收服务器的数据 1024接收最大字节数
        data = tcp_client_socket.recv(1024)
        print(data.decode())
        # 5、关闭套字接
        tcp_client_socket.close()
    if __name__ == '__main__':
        Client()

##### 服务端程序开发 #####

import socket
    
    def Server():
        """ 说明：服务端程序退出，端口号不会立即释放，要1-2分钟 可更换服务端端口号 设置端口号复用，让服务端程序退出后端口号立即释放 setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,True) """
        # 1、创建套字接
        tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        # 保证程序退出时，端口号立即释放
        # SOL_SOCKET:当前套接字 SO_REUSEADDR:表示复用套接字 True:确定复用
        tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
        # 2、绑定端口
        tcp_server_socket.bind(("ip",9090))
        # 3、设置监听
        # listen后的套接字时被动套接字，只负责接收新的客户端的连接请求，不能收发消息
        # listen后的套接字关闭后，会导致新的客户端不能连接服务器
        tcp_server_socket.listen(128)
        # 4、等待客户端连接请求.返回元组(新的套接字，客户端对应的ip，端口号)
        # TCP使用新的套接字进行收发
        new_client, ip_port = tcp_server_socket.accept()
        # 5、接收数据
        recv_data = new_client.recv(1024)
        # 6、发送数据
        new_client.send("我是你的咯咯咯".encode())
        new_client.close()
        # 7、关闭套字接
        tcp_server_socket.close()
        
    if __name__ == '__main__':
        Server()

##### 多线程实现可以接受多次数据 #####

def handle_client_request(ip_port,new_client):
        """ 处理客户端请求 """
        print("客户端的ip和端口号：", ip_port)
        # 循环接收客户端消息
        while True:
            recv_data = new_client.recv(1024)
            if len(recv_data) > 0:
                print("接收的数据长度：", len(recv_data))
                print("接受{}的数据是：{}，长度为".find(ip_port, recv_data.decode(),len(recv_data)))
    
                new_client.send("我是你的咯咯咯".encode())
            else:
                print("{}客户端下线".format(ip_port))
                break
        new_client.close()
    def Server_to_Clients():
        """ 多人版多线程 """
        t_thread = []
        tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
        tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    
        tcp_server_socket.bind(("", 9090))
    
        tcp_server_socket.listen(128)
        # 循环等待接受客户端
        while True:
            new_client, ip_port= tcp_server_socket.accept()
            # 再此处以建立成功
            # 创建子线程，负责接收客户端的消息
            t = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(ip_port,new_client))
            # 设置守护主线程，主线程进出子线程直接销毁
            t.start()
    
        tcp_server_socket.close()
        
    if __name__ == '__main__':
        Server_to_Clients()

#### 醉后 ####

> 以上是根据网络上的视频以及书籍上的知识所学的，如以上内容对概念的阐述有误或使用有误希望各位大佬指点。

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