第一阶段：Python开发基础 day31 网络编程之基础--五层协议

目录

• 一、网络架构及其演变过程
  • 1.1、 C/S架构（客户端+服务端）
    • 1.1.1 CS架构要求
    • 1.1.2 面试题：数据放在服务端和客户端的利与弊？
  • 1.2、B/S架构（浏览器/服务器）
    • 1.2.1 两种BS架构
  • 1.3、C/S与B/S架构的区别
• 二、OSI七层协议
  • 2.1 物理层
  • 2.2 数据链路层
    • 2.2.1 以太网协议
    • 2.2.2 Mac地址
    • 2.2.3 广播地址
  • 2.3 网络层
    • 2.3.1 IP地址的两部分
    • 2.3.2 子网掩码详解
    • 2.3.3 IP数据包详解
    • 2.3.4 ARP协议详解
  • 2.4 传输层
  • 2.5 应用层
• 三、在python中通过socket写一个cs架构的软件

一、网络架构及其演变过程

网络架构分为两种，一种是C/S（client/server），一种是B/S（browser/server）

1.1、 C/S架构（客户端+服务端）

应用领域：

• QQ
• 大型网络游戏

计算机发展初期用户去取数据，直接就去主机拿，从这里开始就分出了客户端和服务端。

客户端：用户安装的软件；

服务端：统一管理数据库的主机中的软件就叫做服务端，再后来服务端不只是管理数据，外加处理业务逻辑。

1.1.1 CS架构要求

1. 用户操作系统安装客户端；产商操作系统部署服务端
2. 每个用户需要独立安装软件、服务端升级也要每个用户升级

1.1.2 面试题：数据放在服务端和客户端的利与弊？

答：

• 服务端统一处理有更好的安全性和稳定性而且升级比较容易，不过服务器负担就增加了。
• 客户端将负担分配到每个用户，从而可以节约服务器资源，安全性和稳定性可能会有一定的问题，但是升级比较麻烦，每个安装的客户端程序都需要升级，另外为了节省网络资源，通过网络传输的数据应该尽量减少！

1.2、B/S架构（浏览器/服务器）

应用领域：

• 淘宝
• 京东

统一客户端即默认安装用户电脑中的浏览器，访问同种类的网站，具体业务的处理根据相应协议和标准提供通用的服务器程序，在不同的服务器处理。

1.2.1 两种BS架构

OSI主要用于教学（万恶的大学、绿本的计算机书），我们在编程的时候用的都是TCP/IP。

TCP/IP的对应关系，就像我们在淘宝购物，所在位置有的快递（网络接入层），告诉卖家地址（网络互联层）、快递送货（运输层）、收到货物拆包使用（应用层）。

注意：对于广泛使用的东西就需要制定相应的标准，就像大公司有很多制度来规范做事情的流程。由于网络传输应用非常广泛，但是规矩不是强制性的，所以叫做协议而不是标准，TCP/IP参考模型也可以看做是一种协议。BS结构中TCP/IP模型中的网络接入层没有响应的协议，网络互联层是IP协议，传输层是TCP协议，应用层是HTTP协议，另外还是用到了DNS结构，而且在HTTP上层还有相应。

基于BS结构下的程序就要求解决速度问题，而速度问题的核心就是解决海量数据操作和高并发问题，网站复杂架构就是从这两个问题演变出来的。

1.3、C/S与B/S架构的区别

二、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。

每层运行常见的物理设备

2.1 物理层

物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0。网络数据就是通过这些电信号组成01010101100101的格式进行传输的。

要让这些010010101001...有意思，人为的分组再适合不过了，8位一组，发送及接收都按照8位一组来划分。接收到8位为一组的话，那么就可以按照这8位数来做运算。如果没有分组，对方接收的计算机根本就不知道从哪一位开始来做计算，也解析不了收到的数据。我发了16位你就按照16位来做计算吗？我发100位你就按照100位做计算吗？没什么意义是吧。因此要想让底层的电信号有意义，必须要把底层的电信号做分组。我做好8位一组，那么我收到数据，我就知道这几个8位做一组，这几个8位做一组。那么每个8位就可以得到一个确定的数。分组是谁干的活呢？物理层干不了，这个是数据链路层干的。

2.2 数据链路层

2.2.1 以太网协议

把物理层的电信号分组（即以太网协议ethernet），ethernet规定：一组电信号构成一个数据报，叫做'帧'，每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

报头	数据
head	data

• head包含：(固定18个字节)
  • 发送者／源地址，6个字节
  • 接收者／目标地址，6个字节
  • 数据类型，6个字节
• data包含：(最短46字节，最长1500字节)

2.2.2 Mac地址

head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即Mac地址
-每块网卡都有一个唯一mac地址：12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

2.2.3 广播地址

有了Mac地址以后，计算机就可以通信了，假设一个教室就是一个局域网（隔离的网络），这个教室里面有几台计算机，计算机的通信和人的通信是一个道理，把教室里面的人都比作一个个计算机，假设教室里面的人都是瞎子，其实计算机就是瞎子的，计算机通信基本靠吼，现在我要找教室里面的飞哥要战狼2的片，然后我就吼一声，说我要找飞哥要战狼2的片，战狼2的片就属于我的数据，但是我在发的时候我是不是要标识我是谁，我要找谁，我是谁就是我的Mac地址，我要找谁就是飞哥的Mac地址，这两个地址做数据包的头部，再加上数据战狼2的片就构成了一个数据帧。

这个数据包封装好以后就往外发，到物理层以后就全部转成二进制，往外发是怎么发的呢？就是靠吼。即“我是nick，我找飞哥要战狼2的片”。这么吼了一嗓子以后，全屋子的人都能听到，这就是广播。

计算机底层，只要在一个教室里（一个局域网），都是靠广播的方式，吼。

广播出去以后，所有人都听得见，所有人都会拆开这个包，读发送者是谁，接收者是谁，只要接收者不是自己就丢弃掉。对计算机来说，它会看自己的Mac地址，飞哥收到以后，他就会把片发给我，发送回来同样采用广播的方式了，靠吼。

同一个教室（同一个局域网）的计算机靠吼来通信，那不同教室的计算机又如何？

比如说局域网1的pc1与局域网2的pc10如何通信？你在教室1（局域网1）吼，教室2（局域网2）的人肯定是听不见的。这就是跨网络进行通信，数据链路层就解决不了这个问题了，这就得靠网络层出面了。

2.3 网络层

网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

网络层的由来：有了ethernet、Mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由 一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到

• 对于上述的问题这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

为了解决上述灾难，网络层定义了一个IP协议，

你想，我是这个教室的一个学生，我想找隔壁教室一个叫老王的学生，我也不认识老王，那怎么办，我吼？老王在另外一个教室肯定是听不到的。找教室的负责人，这个教室的负责人就负责和隔壁教室的负责人说话，说我们教室的有个学生要找你们教室的老王。往外传的东西交给负责人就可以了，内部的话上面已经提到，通过广播的方式，对外的东西广播失效。教室的负责人就是网关，网关即网络关口的意思。

Mac地址是用来标识你这个教室的某个位置，IP地址是用来标识你在哪个教室（哪个局域网）。你要跨网络发包你是不是要知道对方的IP地址，比如你要访问百度，你肯定得知道百度服务器的IP地址。计算机在发包前，会判断你在哪个教室，对方在哪个教室，如果在一个教室，基于Mac地址的广播发包就OK了；如果不在一个教室，即跨网络发包，那么就会把你的包交给教室负责人（网关）来转发。Mac地址及IP地址唯一标识了你在互联网中的位置。

数据链路层中会把网络层的数据包封装到数数据链路层的数据位置，然后再添加上自己的包头，再发给物理层，物理层发给网关，网关再发给对方教室的网关，对方教室的网关收到后在那个教室做广播。

在数据链路层看，数据封装了两层，跟玩俄罗斯套娃有点类似，一层套了一层。

最终变成

-	-	-
以太网头	IP头	IP数据

现在来看另一个问题，在吼之前怎么知道对方的Mac地址？这就得靠ARP协议。

ARP协议的由来：在你找飞哥要片之前，你的先干一件事，想办法知道飞哥的Mac地址。即你的机器必须先发一个ARP包出去，ARP也是靠广播的方式发，ARP发送广播包的方式如下：

-	源Mac	目标Mac	源IP	目标IP	数据部分
发送端主机	发送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

局域网中怎么获取对方的Mac地址：

肯定要知道对方的IP地址，这是最基本的，就像你要访问百度，肯定得知道百度的域名，域名就是百度的IP地址。自己的IP可以轻松获得，自己的Mac也轻松获取，目标Mac为12个F，我们叫广播地址，表达的意思是我想要获取这个目标IP地址172.16.10.11的机器的Mac地址。Mac为12个F代表的是一种功能，这个功能就是获取对方的Mac地址，计算机的Mac永远不可能是12个F。假设是在本教室广播，一嗓子吼出去了，所有人开始解包，只有IP地址是172.16.10.11的这个人才会返回他的Mac地址，其他人全部丢弃。发回来源Mac改成飞哥自己的Mac地址，同时把飞哥的Mac地址放在数据部分。

跨网络怎么获取对方的Mac地址：

通过IP地址区分，计算机运算判断出飞哥不在同一个教室，目标IP就变成了网关的IP了。网关的IP在计算机上配死了，可以轻松获取。

-	源Mac	目标Mac	源IP	目标IP	数据部分
发送端主机	发送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

-	源Mac	目标Mac	源IP	目标IP	数据部分
发送端主机	发送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	网关地址	数据

-	源Mac	目标Mac	源IP	目标IP	数据部分
发送端主机	发送端Mac	网关Mac	172.16.10.10/24	飞哥的IP	数据

注意：网关帮你去找飞哥，但对用户来说，由于速度太快我们根本就感觉不到网关的存在。

规定网络地址的协议叫IP协议，它定义的地址称之为IP地址，广泛采用的v4版本即IPv4，它规定网络地址由32位2进制表示
范围0.0.0.0-255.255.255.255

• 一个IP地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

2.3.1 IP地址的两部分

1. 网络部分：标识子网
2. 主机部分：标识主机

• 注意：单纯的IP地址段只是标识了IP地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个IP所处的子网

例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

2.3.2 子网掩码详解

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

知道”子网掩码”后，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算

• 172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001
  • 255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
  • AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0
• 172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
  • 255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
  • AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0
• 结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

2.3.3 IP数据包详解

IP数据包也分为head和data部分，无须为IP包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

• head：长度为20到60字节
• data：最长为65,515字节

注意：以太网数据包的"数据"部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

-	-	-
以太网头	IP头	IP数据

有了Mac地址+IP地址，我们就能确定世界上独一无二的一台计算机。

2.3.4 ARP协议详解

arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到：通信是基于Mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的Mac是容易的，如何获取目标主机的Mac，就需要通过arp协议

arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的Mac地址

协议工作方式：每台主机IP都是已知的，例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

1.首先通过IP地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机Mac，目标主机IP
不同子网	网关Mac，目标主机IP

2.分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标IP为172.16.10.1，通过arp获取的是网关的Mac)

-	源Mac	目标Mac	源IP	目标IP	数据部分
发送端主机	发送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

3.这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标IP为自己的，就响应，返回自己的Mac

2.4 传输层

传输层的由来：网络层的IP帮我们区分子网，以太网层的Mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序。

那么我们通过IP和Mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

传输层功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

• 有了Mac地址+IP地址+端口，我们就能确定世界上独一无二的一台计算机上的应用程序

2.4.1 TCP协议

• 可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

-	-	-	-
以太网头	IP头	TCP头	数据

2.4.2 UDP协议

• 不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

-	-	-	-
以太网头	IP头	UDP头	数据

2.4.3 TCP报文

2.4.4 TCP三次握手和四次挥手

2.5 应用层

用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

应用层功能：规定应用程序的数据格式。

• 例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

注意：数据经过以上几层的折腾，已经不成样子了。

三、在python中通过socket写一个cs架构的软件

服务端代码：

import socket

soc = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

soc.bind(('127.0.0.1',8081))
soc.listen(5)
conn,addr = soc.accept()
print(addr)
data = conn.recv(1024)

conn.send(data.upper())
conn.close()

客户端代码：

import socket
soc = socket.socket()

soc.connect(('127.0.0.1',8081))

soc.send(b'hello world')

data = soc.recv(1024)

print(f'我收到了服务端回的消息:{data.decode("utf8")}')

soc.close()

运行结果：

我收到了服务端回的消息:HELLO WORLD