Python网络编程

网络协议五层模型

网路的五层划分是什么

​ 互联网的实现，分成好几层，每一层都有自己的功能，就想建筑物一样，每一层都靠下下一层支持。用户接触到的，只是最上面的一层，根本没有感觉调下面的层

​ 每一层都是为了完成一种功能，未来实现这种功能，就需要大家遵守共同的规则，叫做“协议”。互联网的每一层，都定义了许多协议，这些协议的总称，就叫做“互联网协议”

由上图可知，最下层位物理层（实体层）

实体层：

• 什么是实体层呢？
  • 我们的电脑要组网，那么第一件事情是什么呢。我们都知道肯定是要将网线插入，通过网线将电脑链接起来。这就叫做物理层
  • 实体层还规定了网络的一些电气特性，作用负责传送0和1的电信号

链接层：

• 什么是链接层呢？

  • 我们知道，通过实体层传送0和1信号，但是单纯的0和1信号是没有任何意义的，所以我们必须规定解读的方式。比如多少个电信号为一组，每个电信号有什么意义。这就是链接层的功能。
  • 所以链接层会在实体层上面

• 以太网协议：

  • 早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐的，一种叫做“以太网”的协议，占据了主导地位。以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”。每一个帧分为两个部分：标头和数据
    • 标头：包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等
    • 数据：则是数据包的具体内容。

• MAC地址：

  上面提到，以太网数据的“标头”，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接收者是如何标识呢？

  • 以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有“网卡“接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。
  • 每块网卡出厂的时候，都采取了48个二进制位，通常用12个16进制表示。前六个十六个进制是厂商标号，后六个是该厂商网卡的流水号。有了MAC地址就可以定位网卡和数据包的路径。

• 广播：

  • 那么一块网卡是如何知道另一块网卡的MAC地址呢？实际上这是通过ARP协议来解决的
  • 那么有了MAC地址以后，又是如何把数据包准确的送到接收方呢？实际上它并不是把数据包准确的送过去，而是向本网络内所有计算机发送广播，让每台计算机自己判断，是否位接受方
    • 一号计算机向二号计算机发送一个数据包，同一个子网络的所有计算机都会接收到这个包。它们通过读取标头，找到接收方的MAC地址，与自己进行比较，相同就接收，不同就扔掉。这种方式叫做广播

网络层

• 网络层的由来
  • 以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。但是有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包，导致效率低，而且局限在发送者所在的子网络。
  • 因此，必须找到一种方法，用于区分地址是否是同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采取广播方式发送，否则就采用”路由“方式向不同的子网络分发数据包。这就导致了网络层的诞生
• IP协议：
  • 规定网络地址的协议叫做ip协议，它所定义的地址，被称为ip地址。目前广泛采用的ip协议第四版，简称IPv4。这个版本规定，网络地址有32个二进制组成
  • ip协议的作用:
    • 1.为没一台计算机分配ip地址，
    • 确定哪些地址在同一个子网络
• IP数据包
  • 根据ip协议发送的数据，就叫做ip数据包，其中必定包括ip地址信息
  • 但是以太网只包含MAC地址，并没有ip地址的栏位。那么需要把ip数据包直接放进以太网络数据包的数据部分，不用修改以太网的规则。这就是互联网分层机构的好处
  • 具体来说ip数据也分为标头和数据两个部分
• APR协议
  • 因为ip数据包是放在以太网络数据包里发送的，所以必须同时知道两个地址，一个是从对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址

传输层

• 传输层的由来
  • 有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
  • 传输层的功能就是建立端口到端口的通信。相比之下，网络层的功能是建立到主机的通信。UNICX系统就把主机+端口，叫做（socket）”套接字“，有了它就可以进行网络应用程序开发
• UDP协议
  • 现在我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，他的格式几乎就是在数据面前，加上端口号
• TCP协议
  • UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到
  • TCP就是加入了确认机制的UDP协议，每一个数据包都要求确认。如果有一个缺失，就无法确认，保证了数据不丢失，但是过程复杂。实现困难，消耗较多资源。

应用层

• 应用层由来
  • 应用层收到传输层的数据，接下来进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。应用层的作用，就是规定应用程序的数据格式。
  • 应用层解析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”。这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的”数据”部分。

三次握手和四次分手

三次握手

• TCp是面向链接的，无论哪一方向向另一方发送数据之前，都必须现在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息。

  • 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

  • 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack (number )=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

  • 第三次握手：Client收到确认后，检查ACK是否为Client发送的seq+1，即x+1；如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server。Server检查ack是否为Server发送的seq+1，即y+1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

    

四次分手过程

• 当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”

  • 第一次分手：客户端设置seq=x，向服务端发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示客户端没有数据要发送给服务端了
  • 第二次分手：服务端收到了客户端发送的FIN=1，向客户端回复ACK=1，ack=收到的seq+1=x+1，然后客户端进入FIN_WAIT_2状态；服务端告诉客户端，在等待自己去关闭连接
  • 第三次分手：服务端向客户端发送FIN=1，设置seq=y，请求关闭连接，同时服务端进入LAST_ACK状态
  • 第四次分手：客户端收到服务端发送的FIN，向服务端发送ACK=1，ack=收到的seq+1=y+1，然后主机1进入TIME_WAIT状态；服务端收到客户端的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，客户端等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，客户端也关闭连接