传输层协议、应用层、socket套接字、半链接池、粘包问题

【传输层协议TCP/UDP】

PORT协议(端口协议)
    端口号用来(ip+port)：标识一台计算机上面的某一个应用程序
    端口号的范围:0-65535
    这是因为传输层的协议：TCP、UDP等，它们的报头端口号长度是16bit所决定的！！ 2的16次方
    端口号特征:动态分配(类似于洗浴中心号码牌)
    每一个应用程序都要有一个端口号！！！

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# 建议:
0-1024    系统默认需要使用的端口号，操作系统里面有一些固定的底层服务需要用的。别使用这些端口号！！
1024-8000    常见软件的端口号，可能已经被占掉了，也尽量别用！
8000之后的    以后写项目推荐使用！！！

软件在启动的时候是可以指定端口号的，就是说自己可以去指定用哪个端口号的，常用的已经被指定完了，
不指定一个端口号，就会被计算机动态的分配一个端口号！！！

注意，端口号是不固定的，即可以由用户手工可以分配（当然，一般在软件编写时就已经定义）。
当然，有很多应用软件有公认的默认的端口，比如FTP：20和21，HTTP：80，TELNET：23等等
一个软件可以拥有多个端口号，这证明这个软件拥有不止一个网络功能。

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URL:统一资源定位符(网址)
网址本质是有IP和PORT组成的！！！！

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IP:PORT:能够定位全世界独一无二的一台计算机上面的某一个应用程序
    114.55.205.139:80
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我们之所以不直接使用IP+PORT的原因是太难记 所以发明了域名(网址)
域名解析:将网址解析成IP+PORT

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重点！！！！！！

# TCP与UDP都是用来规定通信方式的

TCP协议（传输控制协议）
    当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。
    这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立
    一个全双工 (full-duplex) 的通信。这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，
    直到它被一方或双方关闭为止。
    tcp协议就是控制数据数据包在传输过程中的规范格式
    是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层协议。


（Transmission Control Protocol）传输控制协议
通俗地说TCP就是对于传输、发送、通信进行控制的协议。


1.TCP协议(重要)
TCP协议的特点是：面向连接、字节流、可靠传输
TCP的机制具有：校验机制、可靠、数据传输稳定

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# 三次握手:建链接
    1.TCP协议也称为可靠协议(数据不容易丢失)
        造成数据不容易丢失的原因不是因为有双向通道，而是因为有反馈机制！！！！！
        给对方发消息之后会保留一个副本 直到对方回应消息收到了才会删除
        否则会在一定的时间内反复发送


    2.洪水攻击
        同一时间有大量的客户端请求建立链接，会导致服务端一直处于SYN_RCVD状态！！！！
    3.服务端如何区分客户端建立链接的请求
        可以对请求做唯一标识
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# 四次挥手:断链接
    1.四次不能合并为三次
        因为中间需要确认消息是否发完(TIME_WAIT)

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ps:课下可以深入研究一下TCP图片上每个状态的具体情况

需要注意：
TCP协议用于1对1，即不能用于基于广播和多播的应用程序
TCP连接双方的收发数据次数不一定相同，即发送多次的数据包，可能会被对方1次全部接收
TCP在发送数据报后，必须得到接收方的应答，才认为传输成功，所以是可靠的
TCP采用超时重传机制，超过时间没收到应答，就会重新发送。

（三次握手）

三次握手建立通道：建立链接是为了传数据做准备的，三次握手即可
    1.客户端发送syn包---->服务器
    2.服务器收到syn包，发送ack确认包---->客户端
    3.客户端收到ack确认包，发送ack确认包---->服务器
    三次握手完毕，建立双向通道

（四次挥手）

   四次挥手断开通道：断开链接是为了节省资源做准备的，四次挥手即可
    1.客户端发送fin包---->服务器
    2.服务器收到fin包，发送ack确认包---->客户端
    3.服务器发送fin包---->客户端
    4.客户端收到fin包，发送ack确认包---->服务器
    四次挥手完毕，断开双向通道

 

PS补充：

PS：当服务端大量处于TIME_WAIT状态时，会导致端口资源耗尽，无法建立新的链接
   基于udp协议通信：不需要建立双向通信的通道
    C<--------------------S
    S<--------------------C
    udp协议：不可靠传输，速度快，但是容易丢包

tcp半链接池：（相当于一个等待服务窗口：如网上客服咨询等待）backlog

【链接请求1，链接请求2，链接请求3.。。】

。

。

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【应用层】

应用层相当于是程序员自己写的应用程序，里面的协议非常的多

常见的有:HTTP、HTTPS、FTP

ps:后续框架部分再做介绍

 

【socket套接字】

socket是网络通信中的一个抽象概念，它是一个通信链的句柄，可以用来实现不同主机之间的进程通信
　　import socket

如果我们需要编写基于网络进行数据交互的程序
意味着我们需要自己通过代码来控制我们之前所学习的OSI七层(很繁琐 很复杂 类似于我们自己编写操作系统)

socket类似于操作系统 封装了丑陋复杂的接口提供简单快捷的接口
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理解socket
Socket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。

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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。

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socket也叫套接字
    基于文件类型的套接字家族(单机)
    AF_UNIX
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    基于网络类型的套接字家族(联网)
    AF_INET

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在这里主要学习利用socket完成TCP/IP通讯，首先需要生成两个对象，
一个是客户端（client），一个是服务端（sever）。

 

 

（工作流程）

（基于tcp协议的简单套接字）

　　PS：为什么要先运行服务端，再运行客户端？
　　　　　　因为客户端需要连接服务端，所以服务端必须先运行起来，等待客户端的连接。
　　　　　　而客户端是主动连接服务端的，所以客户端可以先运行起来。

服务端

import socket

# 1.买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # AF_INET:表示ipv4,SOCK_STREAM:表示使用tcp协议

# 2.绑定手机卡  ip+端口，如果ip是：0.0.0.0，表示本机的所有ip都可以使用
phone.bind(("127.0.0.1", 8082))  # （绑定的是服务端的id）0-65535，1024以前的被系统保留使用

#  3.开机，监听状态
phone.listen(5)  # 5表示半链接池的大小(backlog=5)
print('服务端启动完成，监听地址为：%s:%s' % (socket.gethostname(), 8082))

# 4.等待电话链接请求
# conn:表示与客户端进行通信的socket,client_addr:表示客户端的ip和端口
conn, client_addr = phone.accept()
print(conn)
print('客户端的ip和端口：', client_addr)

# 5.接收消息\发送消息
data = conn.recv(1024)  # 1024表示一次接收1024个字节
print('客户端发送的数据：', data.decode('utf-8'))
conn.send(data.upper())  # 将接收到的数据转换为大写，并发送给客户端

# 6.关闭连接
conn.close()

# 7.关闭手机(可选操作，可有可无)
phone.close()


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客户端


import socket


# 1.买手机：AF_INET--地址家族，实现网络通信  SOCK_STREAM---基于什么协议：流式协议（tcp）
# SOCK_DGRAM---数据报协议（udp）
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2.拨通服务端电话,发送连接请求
phone.connect(('127.0.0.1', 8082))  # connect()括号里是服务端ip和端口号=client_addr

# 3.通信
phone.send('hello tank 早上好'.encode('utf-8'))

# 4.关闭连接,对应的是服务端的conn
phone.close()

 （通信循环--解决Bug）

# 5.接收消息\发送消息
while True:
    try:
        data = conn.recv(1024)  # 1024表示本次接收的最大字节数,收到的是bytes类型
        if len(data) == 0:
            # 在unix/linux下，一旦data收到的是空，就意味着是一种异常的行为：客户端非法断开了链接
            break
        print('客户端发来的消息：', data.decode('utf-8'))
        conn.send(data.upper())
    except Exception:
        # 针对windows系统客户端非法断开解决办法
        break

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客户端

# 3.通信
# 客户端如果强行断开连接，会造成服务端死循环
while True:
    msg = input('输入要发送的消息>>:').strip()
    #  输入空格，不发送，如果输入空，客户端会阻塞
    if len(msg) == 0: continue
    # 退出循环
    # if msg == 'quit': break
    # time.sleep(2)
    # phone.send(b.ini'hello')  # phone.send('hello'.encode('utf-8')),必须是bytes类型
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('=====?')  # 验证什么造成了阻塞，阻塞在哪里
    data = phone.recv(1024)  # 上面一行代码运行，说明收阻塞了
    print(data.decode('utf-8'))

。

。

（链接循环案例）

服务端应该满足的特点：
　　1.一直提供服务
　　2.并发的提供服务

服务端

import socket

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

# 2.绑定手机卡
phone.bind(("127.0.0.1", 8083))

#  3.开机
phone.listen(5)
print('服务端启动完成，监听地址为：%s:%s' % (socket.gethostname(), 8083))

# 4.等待电话链接请求，拿到电话连接conn
# 当上一客户服务完成，接待下一个客户的做法：
# 链接循环
while True:
    conn, client_addr = phone.accept()
    print('客户端的ip和端口：', client_addr)

    # 5.接收消息\发送消息
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data) == 0:
                break
            print('客户端发来的消息：', data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            # 针对windows系统客户端非法断开解决办法
            break

    # 6.关闭连接
    conn.close()

# 7.关闭手机
phone.close()


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客户端1：

import socket
import time


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

# 2.拨通服务端电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8083))

# 3.通信循环
while True:
    msg = input('输入要发送的消息>>:').strip()
    if len(msg) == 0: continue
    # 退出循环
    # if msg == 'quit': break
    # time.sleep(2)
    # phone.send(b.ini'hello')  # phone.send('hello'.encode('utf-8')),必须是bytes类型
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('=====?')
    data = phone.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

# 4.关闭连接
phone.close()



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当其中一个客户端断开连接，第二个客户端发送建立连接请求，服务端能继续服务

 

【半链接池】

定义：
半连接池是一个容器或机制，用于存储和管理在网络通信中形成的半连接状态。

背景：
在TCP协议中，建立连接的过程包括三次握手。当客户端发送SYN包到服务器，服务器响应ACK包并等待客户端的确认时，这种状态被称为半连接状态。
在高并发的网络环境中，如果短时间内有大量客户端发起连接请求，服务器可能会因为处理不过来这些半连接状态而导致资源耗尽，进而影响服务性能。

工作原理：
当客户端请求成功被服务端接收后，服务端不会立即对该请求发出响应，而是将这些请求存储在半连接池中。
只要半连接池没有满，客户端的请求都会进入服务端。如果半连接池已满，新的请求将被阻拦并显示等待。
半连接池通过服务端响应最早进入的客户端请求，达到管理半连接状态、防止资源耗尽的目的。

作用：
限制同一时间内的客户端请求数，避免服务器因处理过多半连接状态而资源耗尽。
提高服务器在高并发环境下的稳定性和性能。

相关概念：
SYN洪水攻击：一种网络攻击方式，通过不断产生半连接状态，让服务器无法处理正常请求。
连接池：一种通用的技术，用于提高资源的利用率和系统的性能。除了半连接池外，还有数据库连接池、线程池等。
注意：
半连接池限制的是同一时间的客户端请求数，而非连接数。
合理地配置半连接池的大小对于服务器的性能和稳定性至关重要。

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(udp协议套接字)

服务端

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # 数据报协议==》udp协议

server.bind(('127.0.0.1', 8083))

while True:
    data, client_addr = server.recvfrom(1024)
    server.sendto(data.upper(), client_addr)

server.close()


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客户端

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
while True:
    msg = input('>>:').strip()
    client.sendto(msg.encode('utf-8'), ('127.0.0.1', 8083))
    res = client.recvfrom(1024)
    print(res)

client.close()

 

 

（UDP和TCP的区别）

TCP与UDP都是用来规定通信方式的
区别：
  TCP协议称之为流式协议、可靠协议(数据不容易丢失)
    面向连接
  UDP协议称之为数据报协议、不可靠协议
    面向无连接
    
# UDP用在哪里？
早期的QQ使用的就是纯生的UDP协议
现在QQ自己添加了很多技术和功能
  使用UDP的原因就是因为很简单 快捷 粗暴 只要指定对方的地址就可以发消息了 而TCP还要建立三握四挥
    
TCP我们可以打比方为打电话 你一句我一句
UDP我们可以看成是发短信 只要发了就行 不管对方看不看

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【粘包问题，UDP协议没有粘包问题】

（1）什么是粘包问题