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网络编程

网络编程

简介

网络编程是指利用计算机网络进行数据传输和通信的编程技术。

在网络编程中，使用编程语言和相关的网络协议来建立连接、传输数据、处理请求和响应等。

常见的网络编程涉及以下几个方面：

  1. Socket 编程：Socket 是一种抽象的网络通信接口，可以用于在不同计算机之间建立通信连接。通过Socket编程，可以实现客户端和服务器之间的数据传输和通信。

  2. 网络协议：网络协议是用于规定计算机之间通信的规则和约定。例如，HTTP（超文本传输协议）用于在Web浏览器和Web服务器之间传输数据，TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）用于在网络上传输数据包等。

  3. 客户端和服务器：在网络编程中，通常会涉及到客户端和服务器的概念。客户端是发起请求的一方，服务器是接收和处理请求的一方。客户端通过网络连接到服务器，发送请求并接收服务器的响应。

  4. 数据传输和通信：网络编程可以通过套接字(Socket)来实现数据的传输和通信。客户端可以向服务器发送请求，并接收服务器返回的响应数据。这可以包括发送和接收文本、图像、音频、视频等不同类型的数据。

  5. 并发与多线程：网络编程中，需要考虑多个客户端和服务器同时连接和通信的情况。使用多线程技术可以实现并发处理多个连接和请求，提高系统的性能和响应速度。

总的来说，网络编程是基于计算机网络进行数据传输和通信的编程技术。通过网络编程，可以实现客户端和服务器之间的连接和数据传输，实现各种网络应用程序。

IP地址与端口

IP地址

IP 地址用来标识网络中设备的一串数字编号。也就是说通过IP地址能够找到网络中某台设备。

IP 地址分为两类： IPv4 和 IPv6

  • IPv4 是目前使用的ip地址，是由点分十进制组成。
  • IPv6 是未来使用的ip地址，是由冒号十六进制组成

端口

端口是计算机网络中用于标识不同网络应用程序或服务的数字标识。

每个网络应用程序或服务都会使用一个特定的端口号，以便其他设备通过网络与该应用程序或服务进行通信，当想要通过网络访问某个服务或应用程序时，需要指定目标设备的IP地址和端口号。

端口的分类

端口号是一个 16 位的数字，共有 65536 个可用端口，范围从 0 到 65535。一般可划分为系统端口和动态端口。

  • 系统端口是指范围从 0 到 1023 的端口号，常用于一些标准的服务和协议。
  • 动态端口是指范围从 1024 到 65535 的端口号，用于自定义应用程序和临时连接。

但是，一些主流的第三方软件所使用的端口，默认在使用时，也应该避开，比如：MySQL 的 3306 端口，Reids 的 6379 端口等。

通信协议

通信协议是用于在计算机网络上进行数据传输和交换的规则和约定。它定义了在通信过程中数据的格式、编码方式、传输速率、错误检测和纠正方法等。

通信协议可以分为多个层级，通常采用分层模型，最著名的是 TCP/IP 协议栈。每一层都有不同的功能和责任，通过交互和协调实现端到端的可靠通信。

例如，TCP/IP 协议栈包括以下层级：

  1. 应用层：定义应用程序之间的通信规则，例如 HTTP、FTP、SMTP 等协议。
  2. 传输层：提供端到端的数据传输服务，包括 TCP 和 UDP 等协议，负责数据的分割、传输控制、错误检测和流量控制等。
  3. 网络层：处理网络间的数据传输和路由，例如 IP 协议。负责将数据包从源主机传输到目标主机，通过IP地址实现寻址和路由选择。
  4. 数据链路层：处理相邻节点之间的数据传输，负责定义数据的格式和封装，以太网协议就是其中的一种。
  5. 物理层：负责在物理媒介上传输比特流，例如通过电缆或无线信号传输数据。

TCP 协议

TCP 的英文全拼(Transmission Control Protocol)简称传输控制协议，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP 协议特点

  • 面向连接
    • 通信双方必须先建立好连接才能进行数据的传输，数据传输完成后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。
  • 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
    • 阻塞管理

HTTP协议

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）超文本传输协议，是一种用于在 Web 浏览器和 Web 服务器之间传输数据的协议。它是一个应用层协议，基于 TCP/IP 协议栈。

HTTP 使用 请求-响应 模型，客户端（通常是Web浏览器）发送 HTTP 请求到 Web 服务器，服务器接收并处理请求，然后返回相应的HTTP响应给客户端。通过这种方式，HTTP 实现了客户端和服务器之间的通信和数据交换。

HTTP报文格式

  • 请求报文
    组成 说明
    请求行 请求方法 请求路径 请求协议版本
    请求头 以key-value形式描述，每行以\r\n结束
    空行 \r\n
    请求体 请求时携带的数据，GET请求方式没有此部分
  • 响应报文
    组成 说明
    响应行 响应协议版本 响应状态码 响应状态描述短语
    响应头 以key-value形式描述的请求信息，每行以\r\n结束
    空行 \r\n
    响应体 服务器返回给客户端的数据

Socket 编程

Socket 编程是一种网络编程的技术，用于实现不同设备之间的数据通信。

它提供了一种基于 TCP 或 UDP 协议的接口，使得程序可以通过网络套接字 socket 进行数据的发送和接收。

通过 Socket 编程，可以在不同主机之间建立网络连接，进行双向的数据传输。Socket 编程通常涉及两个角色：客户端和服务器。

在 Socket 编程中，服务器会创建一个监听套接字 listening socket，用于接收来自客户端的连接请求。一旦服务器接受了客户端的连接请求，它会创建一个新的套接字socket 与客户端进行数据的交换。

客户端会创建一个套接字 socket ，并向服务器发起连接请求。一旦服务器接受了该请求，客户端和服务器之间就可以进行数据的传输。

Socket 编程提供了一组函数和方法，用于创建套接字、设置连接参数、发送和接收数据等操作。

常见的编程语言，如 C、Python、Java 等都提供了相应的 Socket 库和 API，供开发者进行 Socket 编程。

通过 Socket 编程，可以实现各种类型的网络应用，包括像 HTTP、FTP、SMTP 等基于各种协议的应用。它也可以用于实现自定义的网络通信，例如实时通信、游戏服务器等。

需要注意的是，Socket 编程是一种底层的网络编程技术，需要开发者有一定的网络编程基础和对网络通信原理的了解。

Socket 开发流程

Python 中使用 socket 模块完成网络编程，该模块是系统模块，直接导入即可使用。

Socket 客户端及服务端开发流程如图所示：

Socket 客户端开发流程

  1. 创建客户端套接字对象
  2. 和服务端套接字建立连接
  3. 向服务端发送数据
  4. 从服务端接收数据
  5. 关闭客户端套接字

示例代码：

# 导入 socket 模块
import socket

# 创建tcp客户端套接字
# 1. AF_INET：表示ipv4
# 2. SOCK_STREAM: tcp传输协议
tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 和服务端应用程序建立连接
tcp_client_socket.connect(("192.168.5.65", 8888))

# 代码执行到此，说明连接建立成功
# 准备发送的数据
send_data = "你好,我是哈利波特!".encode("gbk")
# 向服务端发送数据
tcp_client_socket.send(send_data)

# 从服务端接收数据, 这次接收的数据最大字节数是1024
recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
# 返回的直接是服务端程序发送的二进制数据
print(recv_data)

# 对数据进行解码
recv_content = recv_data.decode("gbk")
print("接收服务端的数据为:", recv_content)

# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()

代码调试

由于只编写了客户端，而没有服务端，此时的代码是无法自验证的，需要借助一个外部工具【网络调试助手】进行程序验证。（该软件需自行搜索下载安装,不同系统间软件界面有些许差异，功能基本一致）

  1. 选择服务器类型为TCP服务器
  2. 设置服务器运行端口号
  3. 点击按钮开始监听，状态显示正在监听，等待客户端的连接请求
  4. 运行客户端程序后，服务助手会将正在连接的客户端IP地址显示在此
  5. 接收区显示客户端发送给服务端的数据

各阶段注意事项

  1. 创建客户端套接字对象
    • 目前主流使用的 IP 分类还是 IPv4
    • 指定通信方式为 TCP 方式，此时数据传递使用的是二进制字节流
    • socket 方法的两个参数都可以省略，默认使用 IPv4 建立 TCP 方式的套接字
  2. 和服务端套接字建立连接
    • 连接服务器时，需要指定服务器 IP 和端口号，需要向服务器确认，添入正确数据
    • IP 与端口需要使用元组形式传入
  3. 向服务端发送数据
    • 程序中的默认字符串数据，都是 str 类型，不能直接进行传输。
    • TCP 方式传输数据必须是二进制数据。
    • 需要将要传输的数据使用 encode()方法进行数据编码，转换成二进制数据
  4. 从服务端接收数据
    • 服务端发送给客户端的数据，也是使用二进制方式进行传输的，所以需要使用decode()方法对数据解码
  5. 关闭客户端套接字
    • 数据传输结束后，需要将连接进行关闭

Socket 服务端开发流程

  1. 创建服务端端套接字对象
  2. 设置端口复用
  3. 绑定服务端口号
  4. 设置监听
  5. 等待接受客户端的连接请求
  6. 接收客户端发送数据
  7. 向客户端发送数据
  8. 关闭套接字

示例代码：

import socket

# 创建tcp服务端套接字
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
# 给程序绑定端口号
tcp_server_socket.bind(("", 8888))
# 设置监听
tcp_server_socket.listen(128)
print("服务端启动成功，等待客户端连接。。。")
# 等待客户端建立连接的请求, 只有客户端和服务端建立连接成功代码才会解阻塞，代码才能继续往下执行
# 1. 专门和客户端通信的套接字： client_socket
# 2. 客户端的ip地址和端口号： ip_port
client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
# 代码执行到此说明连接建立成功
print("客户端的ip地址和端口号:", ip_port)
# 接收客户端发送的数据, 这次接收数据的最大字节数是1024
recv_data = client_socket.recv(1024)
# 获取数据的长度
recv_data_length = len(recv_data)
print("接收数据的长度为:", recv_data_length)
# 对二进制数据进行解码
recv_content = recv_data.decode("gbk")
print("接收客户端的数据为:", recv_content)
# 准备发送的数据
send_data = f"你好,{ip_port[0]}".encode("gbk")
# 发送数据给客户端
client_socket.send(send_data)
# 关闭服务与客户端的套接字， 终止和客户端通信的服务
client_socket.close()
# 关闭服务端的套接字, 终止和客户端提供建立连接请求的服务
tcp_server_socket.close()

代码调试

服务端代码调试时，可以使用之前编写的客户端代码，也可以使用网络调试助手。

  1. 选择 TCP 客户端
  2. 设置端口号为服务器绑定的端口
  3. 点击连接按钮，连接状态显示连接成功
  4. 在发送区向服务器发送数据
  5. 在接收区显示服务器发送的数据

注意事项

  1. 创建服务端端套接字对象
    • 同创建客户端一样，需要指定IP类型和服务器传输协议类型
  2. 设置端口复用
    • 端口在停止使用后的一段时间内是不能重新启用的
    • 为了方便调试程序，设置 socket 选项，可以立即启用端口
  3. 绑定服务端口号
    • 服务器的端口号应该绑定一个固定端口号，方便客户端连接
  4. 设置监听
    • 设置监听后，服务器 socket 变成被动模式，不能使用服务器 socket 收发消息
    • 128:最大等待建立连接的个数
  5. 等待接受客户端的连接请求
    • 服务器进入到阻塞状态，直到有客户端连接
    • 接收到客户端请求连接后，返回客户端 socket 对象及客户端 IP 和端口
  6. 接收客户端发送数据
    • 使用客户端 socket 对象接收客户端向服务端发送的数据
    • 数据需要进行解码使用
  7. 向客户端发送数据
    • 使用客户端 socket 对象向客户端发送数据
    • 数据需要进行编码使用
  8. 关闭套接字
    • 数据发送完毕后，服务器可以使用客户端 socket 对象将客户端连接断开
    • 服务端 socket 视情况断开连接

多任务服务端

结合多任务实现可以多个客户端同时访问的服务端。

import socket
import threading

class MultiTaskTCPServer(object):
    # 在初始化方法中对服务端socket进行初始化操作
    def __init__(self,ip="", port=8888):
        # 创建tcp服务端套接字
        self.server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        # 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
        self.server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
        # 绑定端口号
        self.server.bind((ip, port))
        # 设置监听, listen后的套接字是被动套接字，只负责接收客户端的连接请求
        self.server.listen(128)

    # 启动服务器方法，实现多任务接受处理客户端连接请求
    def run(self):
        # 循环等待接收客户端的连接请求
        while True:
            # 等待接收客户端的连接请求
            client_socket, ip_port = self.server.accept()
            print("客户端连接成功:", ip_port)
            # 当客户端和服务端建立连接成功以后，需要创建一个子线程，不同子线程负责接收不同客户端的消息
            sub_thread = threading.Thread(target=self.handle_client_request, args=(client_socket, ip_port))
            # 设置守护主线程
            sub_thread.setDaemon(True)
            # 启动子线程
            sub_thread.start()

        # tcp服务端套接字可以不需要关闭，因为服务端程序需要一直运行
        tcp_server_socket.close()

    # 处理客户端的请求操作
    def handle_client_request(self, client, ip_port):
        # 接收客户端发送的数据并解码
        recv_data = client.recv(1024).decode("gbk")
        # 如果接收的数据长度为0，说明客户端主动断开了连接
        if len(recv_data) == 0:
            print("客户端下线了:", ip_port)
            return

        print(recv_data, ip_port)
        # 将客户端发送的数据转换成大写并编码后发送给客户端
        send_data = recv_data.upper().encode("gbk")
        client.send(send_data)

        # 终止和客户端进行通信
        client.close()


if __name__ == '__main__':
    # 创建服务器对象
    server = MultiTaskTCPServer(port=9999)
    # 启动服务器
    server.run()