1.ip地址

网络通信三要素：ip、端口、协议

1.1 说明：

• ip地址：标识网络中设备的一个地址
• 分类：IPv4、IPv6
• IPv4:由点分十进制组成
• IPv6:由冒号十六进制组成

1.2 ip地址的作用

ip地址的作用是标识网络中唯一的一台设备，通过ip能够找到网络中某台设备

1.3 查看ip地址

• Linux、macOS:ifconfig
• window:ipconfig

127.0.0.1表示本机地址，该地址对应的域名是localhost，域名是ip地址的别名，通过域名能解析出一个对应的ip地址

1.4 检查网络是否正常

• 检查网络是否正常使用：ping

2.端口和端口号

• 端口是传输数据的通道，是数据传输必经之路。作用是：给运行的应用程序提供传输数据的通道
• 操作系统为了统一管理这么多端口，就对端口进行了编号，这就是端口号，端口号就是一个数字
• 端口号可以标识唯一的一个端口。作用是区分和管理不同的端口。

2.1 端口号分类

• 知名端口号
• 动态端口号

知名端口号：众所周知的端口号，范围从0~1023

• 这些端口号一般固定分配给一些服务（21：FTP，文件传输协议服务、25：SMTP，简单邮件传输协议服务、80：HTTP服务）

动态端口号：开发应用程序使用的端口号，范围从1024~65535

• 如果开发的程序没有设置端口号，操作系统会在动态端口号这个范围随机生成一个给开发的应用程序使用
• 当运行一个程序默认会有一个端口号，当这个程序退出时，所占用的端口号会被释放

3.tcp的介绍

传输协议：数据传输需要选择一个对应的传输协议，保证程序之间按照指定的传输规则进行数据的通信。

udp: 10% 音视频、广播

• 无链接，不可靠
• 消耗资源少
• 传输数据量小，64k以下

tcp：90%

• 有链接，可靠连接
• 消耗资源多
• 传输数据量大（没有限制）

3.1 tcp

tcp简称输控制协议，它是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

面向连接效果图：

tcp通信的步骤：

1. 创建连接
2. 传输数据
3. 关闭连接

tcp的特点：

1. 面向连接
   - 通信双方必须先建立好连接才能进行数据的传输，数据传输完成后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。
2. 可靠传输
   - tcp采用发送应答机制
   - 超时重传
   - 错误校验
   - 流量控制和阻塞管理

3.2 socket

socket简称套接字，是进程间通信的一个工具。
socket的作用：负责进程之间的网络数据传输

3.3 tcp网络应用程序开发流程

tcp网络应用程序开发分为：

• tcp客户端程序开发：运行在用户设备上的程序
• tcp服务器程序开发：运行在服务器上的程序，专门为客户端提供数据服务

主动发起建立连接请求的是客户端 程序，等待接收连接请求的是服务端程序

1、tcp客户端程序开发流程

步骤说明：

1. 创建客户端套接字对象
2. 和服务端套接字建立对象连接
3. 发送数据
4. 接收数据
5. 关闭客户端套接字

2、tcp服务端程序开发流程

步骤说明：

1. 创建服务端套接字对象
2. 绑定端口
3. 设置监听
4. 等待接收客户端的连接请求
5. 接收数据
6. 发送数据
7. 关闭套接字

3.4 tcp客户端程序

3.4.1 socket类

导入 socket 模块：import socket
创建客户端 socket 对象：socket.socket(AddressFamily, Type)
参数说明：

• AddressFamily：IP地址类型，分为IPv4和IPv6
• Type：传输协议类型

方法说明：

• connect((host, port)) 表示和服务端套接字建立连接，host是服务器ip地址，port是应用程序的端口号
• send(data)表示发送数据，data是二进制数据
• recv(buffersize)表示接收数据，buffersize是每次接收数据的长度

1、tcp客户端程开发示例：

import socketif __name__ == '__main__':# 创建tcp客户端套接字# 1. AF_INET：表示ipv4# 2. SOCK_STREAM: tcp传输协议tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 和服务端应用程序建立连接tcp_client_socket.connect(("192.168.131.62", 8080))# 代码执行到此，说明连接建立成功# 准备发送的数据send_data = "你好服务端，我是客户端小黑!".encode("gbk")# 发送数据tcp_client_socket.send(send_data)# 接收数据, 这次接收的数据最大字节数是1024recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)# 返回的直接是服务端程序发送的二进制数据print(recv_data)# 对数据进行解码recv_content = recv_data.decode("gbk")print("接收服务端的数据为:", recv_content)# 关闭套接字tcp_client_socket.close()

说明：

1. str.encode(编码格式):把字符串编码为二进制
2. data.decode(编码格式)：把二进制解码为字符串

基本流程：

1. 导入 socket 模块
2. 创建 tcp 套接字
   - 参数1：AF_INET表示IPv4地址类型
   - 参数2：SOCK_STAEAM表示tcp传输协议类型
3. 发送数据：send()
   - 参数1：要发送的二进制数计
4. 接收数据：recv()
   - 参数1：表示每次接收数据的大小，单位是字节
5. 关闭套接字：表示通信完成

2、tcp服务端程序开发示例：

import socketif __name__ == '__main__':# 创建tcp服务端套接字tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True) # 给程序绑定端口号tcp_server_socket.bind(("", 7788))# 设置监听# 128:最大等待建立连接的个数， 提示： 目前是单任务的服务端，同一时刻只能服务与一个客户端，后续使用多任务能够让服务端同时服务与多个客户端，# 不需要让客户端进行等待建立连接# listen后的这个套接字只负责接收客户端连接请求，不能收发消息，收发消息使用返回的这个新套接字来完成tcp_server_socket.listen(128)# 等待客户端建立连接的请求, 只有客户端和服务端建立连接成功代码才会解阻塞，代码才能继续往下执行# 1. 专门和客户端通信的套接字： service_client_socket# 2. 客户端的ip地址和端口号： ip_portservice_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()# 代码执行到此说明连接建立成功print("客户端的ip地址和端口号:", ip_port)# 接收客户端发送的数据, 这次接收数据的最大字节数是1024recv_data = service_client_socket.recv(1024)# 对二进制数据进行解码recv_content = recv_data.decode("gbk")print("接收客户端的数据为:", recv_content)# 准备发送的数据send_data = "ok, 问题正在处理中...".encode("gbk")# 发送数据给客户端service_client_socket.send(send_data)# 关闭服务与客户端的套接字， 终止和客户端通信的服务service_client_socket.close()# 关闭服务端的套接字, 终止和客户端提供建立连接请求的服务tcp_server_socket.close()

说明：当客户端和服务端建立连接后，服务端程序退出后端口号不会立即释放，需要等待大概1-2分钟。
解决办法：

1. 更换服务端端口号
2. 设置端口号复用，让服务端程序退出后端口号立即释放tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)

基本流程：

1. 导入socket模块:import socket
2. 创建TCP套接字:tcp_server_socket = socket.socket(…)
   - 参数1: ‘AF_INET’, 表示IPv4地址类型
   - 参数2: ‘SOCK_STREAM’, 表示TCP传输协议类型
3. 绑定端口号:bind((“ip”, port))
   - 参数: 元组, 比如:(ip地址, 端口号)
4. 设置监听:listen()
   - 参数: 最大等待建立连接的个数
5. 等待接受客户端的连接请求
6. 发送数据:send()
   - 参数: 要发送的二进制数据， 注意: 字符串需要使用encode()方法进行编码
7. 接收数据:recv()
   - 参数: 表示每次接收数据的大小，单位是字节，注意: 解码成字符串使用decode()方法
8. 关闭套接字，表示通信完成

3.4.2 tcp网络应用程序的注意点

1. tcp客户端程序与tcp服务端程序进行通信必须要先建立连接
2. tcp客户端程序一般不需要绑定端口号，因为客户端是主动发起建立连接的
3. tcp服务端程序必须绑定端口号，否则客户端找不到这个tcp服务端程序
4. listen 后的套接字是被动套接字，只负责接收新的客户端的连接请求，不能收发消息
5. 当 TCP 客户端程序和 TCP 服务端程序连接成功后， TCP 服务器端程序会产生一个新的套接字，收发客户端消息使用该套接字
6. 关闭 accept 返回的套接字意味着和这个客户端已经通信完毕
7. 关闭 listen 后的套接字意味着服务端的套接字关闭了，会导致新的客户端不能连接服务端，但是之前已经接成功的客户端还能正常通信
8. 当客户端的套接字调用 close 后，服务器端的 recv 会解阻塞，返回的数据长度为0，服务端可以通过返回数据的长度来判断客户端是否已经下线，反之服务端关闭套接字，客户端的 recv 也会解阻塞，返回的数据长度也为0

3.5 案例-多任务版tcp服务端程序开发

3.5.1 需求

开发一个能够服务多个客户端的tcp客户端-----线程

1. 编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求
2. 当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞
3. 把创建的子线程设置成为守护主线程，防止主线程无法退出

# 多任务版TCP服务端程序的示例
import socket
import threading# 处理客户端的请求操作
def handle_client_request(service_client_socket, ip_port):# 循环接收客户端发送的数据while True:# 接收客户端发送的数据recv_data = service_client_socket.recv(1024)# 容器类型判断是否有数据可以直接使用if语句进行判断，如果容器类型里面有数据表示条件成立，否则条件失败# 容器类型: 列表、字典、元组、字符串、set、range、二进制数据if recv_data:print(recv_data.decode("utf-8"), ip_port)# 回复service_client_socket.send("ok，问题正在处理中...".encode("utf-8"))else:print("客户端下线了:", ip_port)break# 终止和客户端进行通信service_client_socket.close()if __name__ == '__main__':# 创建tcp服务端套接字tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)# 绑定端口号tcp_server_socket.bind(("", 9090))# 设置监听, listen后的套接字是被动套接字，只负责接收客户端的连接请求tcp_server_socket.listen(128)# 循环等待接收客户端的连接请求while True:# 等待接收客户端的连接请求service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()print("客户端连接成功:", ip_port)# 当客户端和服务端建立连接成功以后，需要创建一个子线程，不同子线程负责接收不同客户端的消息sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))# 设置守护主线程sub_thread.setDaemon(True)# 启动子线程sub_thread.start()# tcp服务端套接字可以不需要关闭，因为服务端程序需要一直运行# tcp_server_socket.close()

流程：

# 1.编写一个tcp服务端程序，循环等待接收客户端的连接请求while True:service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()# 2.当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞while True:service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept() sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))sub_thread.start()# 3.把创建的子线程设置成为守护主线程，防止主线程无法退出while True:service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept() sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))sub_thread.setDaemon(True) sub_thread.start()

3.6 socket之send和recv原理剖析

3.6.1 tcp socket的发送和接收缓冲区

当创建一个tcp socket对象的时候会有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这个发送和接收缓冲区指的就是内存中的一片空间

3.6.2 send原理剖析

应用程序需要调用操作系统接口，把发送的数据先写入发送缓冲区（内存中的一片空间），再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡

3.6.2 recv原理剖析

应用程序需要调用操作系统接口，由操作系统通过网卡接收数据，把接收的数据写入到接收缓冲区（内存中的一片空间），应用程序再从接收缓冲区获取客户端发送的数据

send和recv原理剖析图

说明：

• 发送数据是发送到发送缓冲区
• 接收数据是从接收缓冲区获取
• 不管是recv还是send都不是直接接收接收到对方的数据和发送数据到对方，发送数据会写入到发送缓冲区，接收数据是从接收缓冲区来读取，发送数据和接收数据最终是由操作系统控制网卡来完成