day 26

1. 软件开发架构

1.1 C/S架构

客户端与服务器端架构，这种架构也是从用户层面（也可以是物理层面）来划分的。

这里的客户端一般泛指客户端应用程序EXE，程序需要先安装后，才能运行在用户的电脑上，对用户的电脑操作系统环境依赖较大。

CS架构

C： Client （客户端）

S： Server （服务端）

优点：

客户端因为是独立设计，所以可以实现个性化。
因为客户端是需要进行安装的，可以不需要重复安装和加载。
因为客户端是独立开发的，所以有能力对客户端进行安全设计。

缺点：

因为客户端是不需要重复安装，所以用户可以不更新与升级，增加了维护成本。
因为需要开发客户端和服务器两套程序，所以开发成本会增加。
兼容性差，如果遇到不同的操作系统，需要为不同的操作系统各开发一套客户端。

1.2 B/S架构

浏览器端与服务器端架构，这种架构是从用户层面来划分的。

Browser浏览器，其实也是一种Client客户端，只是这个客户端不需要大家去安装什么应用程序，只需在浏览器上通过HTTP请求服务器端相关的资源（网页资源），客户端Browser浏览器就能进行增删改查。

BS架构

B： Browser （浏览器端）

S： Server （服务端）

优点：

因为B/S架构具备通用性，所以开发成本较低。
因为不需要安装客户端，所以客户端不需要进行升级，只需要更新后台代码即可实现所有客户端的更新。
因为B/S架构多用WEB网页进行开发，所以增、删功能也非常容易，只需要修改网页即可完成。

缺点：

耗流量，每次都要加载全部的内容（不过有缓存可以降低流量损耗）。
因为没有独立的客户端，所以无法实现个性化（通过账号体系可以实现）。
因为没有独立设计客户端，所以客户端难以实现安全控制（HTTPS、控件）。
难以实现特殊的操作（删本地文件），所以所有的杀毒软件都是C/S架构的。

总结：

CS架构响应速度快，安全性强，一般应用于局域网中，但是开发维护成本高；BS可以实现跨平台，客户端零维护，但是个性化能力低，响应速度较慢。

问题：数据放在服务端和客户端的利与弊？

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！

2. 网络编程基础

2.1 以太网：局域网与交换机

局域网与交换机

2.1.1 以太网协议

对电信号来做分组。以前每个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，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

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)

-	-
head	data

数据报的具体内容：head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

2.1.2 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。

　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

Mac地址

2.2 广播

主机之间“一对所有”的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。

2.3 ip地址与ip协议

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

2.4 arp协议 ——通过IP地址去找MAC地址

　　地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

　　主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址。

2.5 广域网与路由器

广域网与路由器

2.6 路由器

　　路由器（Router），是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。路由器是互联网络的枢纽，"交通警察"。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。

 路由器（Router）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

2.7 局域网

　　局域网（Local Area Network，LAN）是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。一般是方圆几千米以内。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。　　

2.8 子网掩码

　　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”，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
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

 

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络

2.9 端口

我们知道，一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务完全可以通过1个IP地址来实现。那么，主机是怎样区分不同的网络服务呢？显然不能只靠IP地址，因为IP地址与网络服务的关系是一对多的关系。实际上是通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务的。

3 OSI模型

人们按照分工不同把互联网协议从逻辑上划分了层级：（一般作为开发人员，掌握应传网数物五层即可）：

OSI模型

每层运行常见物理设备：

每层常见的物理设备

每层运行常见的协议：

每层常见的协议

3.1 物理层

物理层连接

构成

网络通信的数据传输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同构成。
功能：

**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。 **

3.2 数据链路层

由来

单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思。
功能

基于以太网协议，定义了电信号的分组方式。

3.3 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
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。

3.3.1 IP协议

用于标识唯一的一台计算机(局域网)的地址。

IP协议的作用
- 为每一台计算机分配IP地址
- 确定哪些地址在同一个子网络

3.3.2 arp协议

由来

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
功能

广播的方式发送数据包，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。

3.4 传输层

功能

建立端口到端口的通信
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。

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。

3.4.1 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

3.4.2 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

3.5 应用层

功能

规定应用程序的数据格式。
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。

4 传输控制协议

TCP协议：

提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP，TELNET，HTTP，FTP 等。
UDP协议：

在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS，TFTP，DHCP，SNMP，NFS 等。
常用的端口号

操作系统中，一般0-1024的端口都被默认使用了（0-1024不要动），尽量使用8000之后的端口号。

应用程序 FTP TFTP TELNET SMTP DNS HTTP SSH MYSQL

熟知端口 21,20 69 23 25 53 80 22 3306

传输层协议 TCP UDP TCP TCP UDP TCP TCP TCP

应用程序	FTP	TFTP	TELNET	SMTP	DNS	HTTP	SSH	MYSQL
熟知端口	21,20	69	23	25	53	80	22	3306
传输层协议	TCP	UDP	TCP	TCP	UDP	TCP	TCP	TCP

4.1 TCP协议

4.1.1 TCP建立连接（三次握手）

三次握手

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

4.1.2 TCP断开连接（四次挥手）

四次挥手

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

4.3 TCP协议中的问题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

5 Socket套接字

5.1 什么是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。

所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。

5.2 套接字工作流程

socket流程

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有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端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

5.3 基于TCP协议的套接字编程

5.3.1 一次性通信

# File-服务端.py
import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM

# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8081))

phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数

print('start....')
conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））
print(conn)
print(client_addr)

#5、通信：收\发消息
data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数
print('来自客户端的数据', data)
conn.send(data.upper())

#6、断开连接
conn.close()

#7、结束服务
phone.close()

# File-客户端.py
import socket

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

phone.connect(('127.0.0.1', 8081))  # 指定连接服务端ip和端口

#3、通信：发\收消息
phone.send('hello'.encode('utf-8'))
# phone.send(bytes('hello',encoding='utf-8'))
data = phone.recv(1024)
print(data)

#4、关闭
phone.close()

5.3.2 循环通信

# File-服务端.py
import socket

phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM

# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))

phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数

print('start....')
while True:  # 连接循环
    conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））
    # print(conn)
    print('已经有一个连接建立成功', client_addr)

    #5、通信：收\发消息
    while True:  # 通信循环
        try:
            print('服务端正在收数据...')
            data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数，没有数据会在原地一直等待收，即发送者发送的数据量必须>0bytes
            # print('===>')
            if len(data) == 0: break  #在客户端单方面断开连接，服务端才会出现收空数据的情况
            print('来自客户端的数据', data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break
    #6、断开连接
    conn.close()

#7、停止服务
phone.close()

# File-客户端.py
import socket

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

phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定连接服务端ip和端口

#3、通信：发\收消息
while True:  # 通信循环
    msg = input('>>: ').strip()  #msg=''
    if len(msg) == 0: continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    # print('has send----->')
    data = phone.recv(1024)
    # print('has recv----->')
    print(data)

#4、断开连接
phone.close()

posted @ 2019-10-17 15:16 Yugaliii 阅读(112) 评论(0) 编辑收藏举报

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day 26

day 26

1. 软件开发架构

1.1 C/S架构

1.2 B/S架构

2. 网络编程基础

2.1 以太网：局域网与交换机

2.1.1 以太网协议

2.1.2 Mac地址

2.2 广播

2.3 ip地址与ip协议

2.4 arp协议 ——通过IP地址去找MAC地址

2.5 广域网与路由器

2.6 路由器

2.7 局域网

2.8 子网掩码

2.9 端口

3 OSI模型

3.1 物理层

3.2 数据链路层

3.3 网络层

3.3.1 IP协议

3.4 传输层

3.4.1 TCP协议

3.4.2 UDP协议

3.5 应用层

4 传输控制协议

4.1 TCP协议

4.1.1 TCP建立连接（三次握手）

4.1.2 TCP断开连接（四次挥手）

4.3 TCP协议中的问题

5 Socket套接字

5.1 什么是Socket

5.2 套接字工作流程

5.3 基于TCP协议的套接字编程

5.3.1 一次性通信

5.3.2 循环通信

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