网络通信协议

本节主要内容：

1.osi七层模型

2.socket

一、osi七层模型

　　互联网的核心就是由一堆协议组成的，协议就是标准，标准就是大家都认可的，所有人都按照这个来，这样大家都能够互相了解，互相深入。比如全世界通用语言是英语。

 

五层通信流程：

 

二、socket

　　结合上面五层通信流程来看，socket在哪一层呢？？

　　1.socket在内的五层通讯流程：

　　Socket又称为套接字，它是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。当我们使用不同的协议进行通信时就得使用不同的接口，还得处理不同协议的各种细节，这就增加了开发的难度，软件也不易于扩展(就像我们开发一套公司管理系统一样，报账、会议预定、请假等功能不需要单独写系统，而是一个系统上多个功能接口，不需要知道每个功能如何去实现的)。于是UNIX BSD就发明了socket这种东西，socket屏蔽了各个协议的通信细节，使得程序员无需关注协议本身，直接使用socket提供的接口来进行互联的不同主机间的进程的通信。这就好比操作系统给我们提供了使用底层硬件功能的系统调用，通过系统调用我们可以方便的使用磁盘（文件操作），使用内存，而无需自己去进行磁盘读写，内存管理。socket其实也是一样的东西，就是提供了tcp/ip协议的抽象，对外提供了一套接口，同过这个接口就可以统一、方便的使用tcp/ip协议的功能了。

　　其实站在你的角度上看，socket就是一个模块。我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的连接和通信。也有人将socket说成ip+port，因为ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序。 所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序，并且使用socket模块来与之通信。

 

2.套接字socket的发展史及分类

　　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。

　　基于文件类型的套接字家族

　　套接字家族的名字：AF_UNIX

　　unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信。

　　

　　基于网络类型的套接字家族：

　　套接字家族的名字：AF_INET

　　（还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我们只使用AF_INET)

 

3.基于TCP和UDP两个协议下socket的通讯流程

　　TCP（Transmission Control Protocol）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（User Datagram Protocol）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)。

看下图的对比差异：

 

 接续往下看：

TCP和UDP下的socket差异对比图：

　　上面的图只是让大家感受一下TCP和UDP协议下，socket工作流程的不同，两者之间的差异是TCP需要连接，UDP不需要。现在是不是有点迷糊！这里面的bind、listen啥的都是什么东西啊。下面我们就分开两者。

 

三、TCP协议下的socket

　　基于TCP的socket通讯流程图片：

　　

　　虽然上图将通讯流程中的大致描述了一下socket各个方法的作用，但是还是要总结一下通讯流程（下面一大段内容）

　　先从服务器端说起，服务器端先初始化socket，然后与端口绑定（bind()），对接口进行监听（listen())，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有一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，然后把回应数据发给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

　　上代码感受下，需要创建两个文件，文件名我这里为了方便看，我的两个文件名称为tcp_server.py（服务端）和tcp_client.py（客户端），将下面的server端的代码拷贝到tcp_server.py文件中，将下面client端的代码拷贝到tcp_client.py中，然后先运行服务端，再运行客户端。

　　server端代码实例（如果比喻成打电话）

import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)  #接收客户端信息
print(ret)       #打印客户端信息
conn.send(b'hi')        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)

　　client端代码实例

import socket
sk = socket.socket()           # 创建客户套接字
sk.connect(('127.0.0.1',8898))    # 尝试连接服务器
sk.send(b'hello!')
ret = sk.recv(1024)         # 对话(发送/接收)
print(ret)
sk.close()            # 关闭客户套接字

　　

　　socket绑定IP和端口可能会出现下面的问题：

　　解决办法：

#加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #在bind前加，允许地址重用
sk.bind(('127.0.0.1',8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)   #接收客户端信息
print(ret)              #打印客户端信息
conn.send(b'hi')        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)

　　

　　但是如果你加上了上面的代码之后还是出现这个问题：OSError: [WinError 10013] 以一种访问权限不允许的方式做了一个访问套接字的尝试。那么只能换端口了，因为你的电脑不支持端口重用。

　　记住一点，用socket进行通信，必须是一收一发对应好。

　　提一下：网络相关或者需要和电脑上其他程序通信的程序才需要开一个端口。

 

　　在看UDP协议下的socket之前，我们还需要加一些内容来讲：看代码：

　　server端

import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
# sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) 
sk.bind(('127.0.0.1',8090))
sk.listen()
conn,addr = sk.accept()  #在这阻塞，等待客户端过来连接
while True:
    ret = conn.recv(1024)  #接收消息  在这还是要阻塞，等待收消息
    ret = ret.decode('utf-8')  #字节类型转换为字符串中文
    print(ret)
    if ret == 'bye':        #如果接到的消息为bye，退出
        break
    msg = input('服务端>>')  #服务端发消息
    conn.send(msg.encode('utf-8'))
    if msg == 'bye':
        break

conn.close()
sk.close()

　　client端

import socket
sk = socket.socket()
sk.connect(('127.0.0.1',8090)) #连接服务端

while True:
    msg = input('客户端>>>')  #input阻塞，等待输入内容
    sk.send(msg.encode('utf-8'))
    if msg == 'bye':
        break
    ret = sk.recv(1024)
    ret = ret.decode('utf-8')
    print(ret)
    if ret == 'bye':
        break
sk.close()

　　你会发现，第一个连接的客户端可以和服务端收发消息，但是第二个连接的客户端发消息服务端是收不到的

 　　原因解释：

　　　　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。什么是优雅的断开呢？看代码。

 

　　server端代码：

import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
# sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #允许地址重用，这个东西都说能解决问题，我非常不建议大家这么做，容易出问题
sk.bind(('127.0.0.1',8090))
sk.listen()
# 第二步演示，再加一层while循环
while True:    #下面的代码全部缩进进去，也就是循环建立连接，但是不管怎么聊，只能和一个聊，也就是另外一个优雅的断了之后才能和另外一个聊
                #它不能同时和好多人聊，还是长连接的原因，一直占用着这个端口的连接，udp是可以的，然后我们学习udp
    conn,addr = sk.accept()  #在这阻塞，等待客户端过来连接
    while True:
        ret = conn.recv(1024)  #接收消息  在这还是要阻塞，等待收消息
        ret = ret.decode('utf-8')  #字节类型转换为字符串中文
        print(ret)
        if ret == 'bye':        #如果接到的消息为bye，退出
            break
        msg = input('服务端>>')  #服务端发消息
        conn.send(msg.encode('utf-8'))
        if msg == 'bye':
            break
    conn.close()

　　client端代码：

import socket
sk = socket.socket()
sk.connect(('127.0.0.1',8090)) #连接服务端

while True:
    msg = input('客户端>>>')  #input阻塞，等待输入内容
    sk.send(msg.encode('utf-8'))
    if msg == 'bye':
        break
    ret = sk.recv(1024)
    ret = ret.decode('utf-8')
    print(ret)
    if ret == 'bye':
        break
# sk.close()

强制断开连接之后会报错，报错信息：

 

四、UDP协议下的socket

　　基于UDP的socket通讯流程：

 

　　

　　总结一下UDP下的socket通讯流程

　　先从服务器端说起。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

　　上代码感受一下，需要创建两个文件，文件名称随便起，为了方便看，我的两个文件名称为udp_server.py(服务端)和udp_client.py(客户端)，将下面的server端的代码拷贝到udp_server.py文件中，将下面cliet端的代码拷贝到udp_client.py的文件中，然后先运行udp_server.py文件中的代码，再运行udp_client.py文件中的代码，然后在pycharm下面的输出窗口看一下效果。

　　server端代码的实例：

import socket
udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)   #创建一个服务器的套接字
udp_sk.bind(('127.0.0.1',9000))        #绑定服务器套接字
msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024)
print(msg)
udp_sk.sendto(b'hi',addr)                 # 对话(接收与发送)
udp_sk.close()                         # 关闭服务器套接字

　　client端的代码：

import socket
ip_port=('127.0.0.1',9000)
udp_sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
udp_sk.sendto(b'hello',ip_port)
back_msg,addr=udp_sk.recvfrom(1024)
print(back_msg.decode('utf-8'),addr)

 

　　类似于QQ聊天的代码示例：

import socket
ip_port=('127.0.0.1',8081)
udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #DGRAM:datagram 数据报文的意思，象征着UDP协议的通信方式
udp_server_sock.bind(ip_port)#你对外提供服务的端口就是这一个，所有的客户端都是通过这个端口和你进行通信的

while True:
    qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)# 阻塞状态，等待接收消息
    print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8')))
    back_msg=input('回复消息: ').strip()

    udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)

from socket import *
ip_port=('127.0.0.1',9000)
bufsize=1024

tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

while True:
    msg=input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip()
    tcp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port)

    data=tcp_client.recv(bufsize)
    print('当前日期：',str(data,encoding='utf-8'))

 

这里是两个简易描述socket各个参数和方法的图，供大家参考：

socket类型：

 

socket各个方法的解释：