TCP/IP簡介

計算機為了聯網，就必須規定通信協議，早起的計算機網絡。就是由各廠商自己規定一套協議，IBM、Appe和Microsoft都有各自的網絡協議，互不兼容，這就好比一群人有的說英語，有的說中文，有的說德語，說同一種語言的人可以交流，不同語言之間就不行了。

為了把全世界的所有不同類型的計算機都連接起來，就必須規定一套全球通用的協議，為了實現互聯網這個目標，互聯網協議簇就是通過協議標準。internet是由inter和net兩個單詞組合起來的，愿意就是連接“網絡”的網絡，有了internet，任何私有網絡，只要支持這個協議，就可以聯入互聯網。

因為互聯網協議包含了上百種協議標準，但是最重要的兩個協議是TCP和IP協議，所以，大家把互聯網的協議簡稱TCP/IP協議。

通信的時候，雙方必須知道對方的標識，好比發郵件必須知道對象的郵件地址。互聯網上每個計算機的唯一標識就是IP地址，類似 123.123.123.123 。如果一臺計算機同時接入兩個或更多的網絡，比如路由器，它就會有兩個或多個IP地址，所以IP地址對應的實際上是計算機的網絡接口，通常是網卡。

IP協議負責把數據從一臺計算機通過網絡發送到另一臺計算機。數據被分割成一小塊一小塊，然后通過IP包發送出去，由于互聯網鏈路復雜，兩臺計算機之間經常有多條線路，因此，路由器就負責決定如何把一個IP包轉發出去。IP包的特點是按塊發送，途徑多個路由，但不保證能到達，也不保證順序到達。

IP地址實際上是一個32位整數（稱為IPv4），以字符串表示的IP地址

如192.168.0.1實際上是把32位整數按8位分組后的數字表示，目的是便于閱讀。

IPv6地址實際上一個128位整數，它是目前使用的IPv4的升級版，以字符串表示類似于 2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334 。

TCP協議則是建立在IP協議之上的。TCP協議負責在兩臺計算機之間建議可靠連接，保證數據包按順序到達。TCP協議會通過握手建議連接，然后，對每個IP包編號，確保對方按順序收到，如果包丟掉了，就自動重發。

許多常用的更高級的協議都是建立在TCP協議基礎上的，比如用于瀏覽器的HTTP協議、發送郵件的SMTP協議等。

一個TCP報文除了包含要傳輸的數據外，還包含源IP地址和目標IP地址，源端口和目標端口。

端口有什么作用？ 在兩臺計算機通信時，只發IP地址是不夠的，因為同一臺計算機上是跑著多個網絡程序。一個TCP報文來了之后，到底是交給瀏覽器還是QQ，就需要端口號來區分。每個網絡程序都向操作系統申請唯一的端口號，這樣，兩個進程在兩臺計算機之間建立的網絡連接就需要各自的IP地址和各自的端口號。

一個進程也可能同時與多個計算機建立鏈接，因此它會申請很多端口。

端口號分類：

計算機中的端口號的范圍是 0~65535 之間

端口號根據其使用場景，一般區分為公用端口、動態端口、保留端口

公用端口：0~1023

動態端口：1024~65535

保留端口：一般是unix系統中超級用戶進程分配保留端口號

常見端口號：

21???? FTP 文件傳輸端口

22???? ssh 服務端口

23???? telnet 服務端口

25 ????smtp 郵件服務端口

80???? http 超文本傳輸協議端口

110???? pop3 郵局協議端口

115? ? sftp安全文件傳輸協議端口

443? ? https安全超文本傳輸協議端口

more:更多端口請參考網絡資料

remark:查看當前主機正在使用端口號：netstat –ano

remark:查看當前主機中某個端口號是否被使用：netstat -ano | findstr port

TCP編程

socket是網絡編程的一個抽象概念。通常我們用一個socket表示 打開了一個網絡鏈接 ，而打開一個scoket需要知道目標計算機的IP地址和端口號，再指定協議類型即可。

客戶端

大多數鏈接都是可靠的TCP鏈接。創建TCP連接時，主動發起連接的叫客戶端，被動響應連接的叫服務器。

舉個例子，當我們在瀏覽器中訪問新浪時，我們自己的計算機就是客戶端，瀏覽器會主動向新浪的服務器發起連接。如果一切順利，新浪的服務器接受了我們的連接，一個TCP連接就建立起來了，后面的通信就是發送網頁內容了。

所以，我們要創建一個基于TCP連接的socket，可以這樣做：

# 導入socket庫

import socket

# 創建一個socket

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

# 建立連接

s.connect(('www.sina.com.cn',80))

創建scoket時，AF_INETZ? ?指定使用IPv4協議，如果要用更先進的IPv6，就指定為 AF_INET6。SOCK_STREAM 指定使用面向流的TCP協議，這樣，一個socket對象就創建成功，但是還有建立連接。

客戶端要主動發起TCP連接，必須知道服務器的IP地址和端口號。新浪網站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn 自動轉換到IP地址，但是怎么知道新浪服務器的端口號呢？

答案是作為服務器，提供什么樣的服務，端口號就必須固定下來。由于我們想要訪問網頁，因此新浪提供網頁服務的服務器必須要端口號固定在80端口，因為80端口是Web服務的標準端口。其他服務都有對應的標準端口號，例如SMTP服務是25端口，FTP服務是21端口，等等。

端口號小于1024的是internet標準服務的端口，端口號大于1024的可以任意使用。

因此我們連接新浪服務器的代碼如下：

s.connect(('www.sina.com.cn',80))

注意參數是一個tuple，包含地址和端口號。建立TCP連接后，我們就可以向新浪服務器發送請求，要求返回首頁的內容：

# 發送數據

s.send(b'GET/HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')

TCP連接創建時雙向通道，雙方都可以同時給對方發數據。但是誰先發誰后發，怎么協調，要根據具體的協議來決定。例如，HTTP協議規定客戶端必須先發請求給服務器，服務器收到后才發數據給客戶端。

發送的文本格式必須符合HTTP標準，如果格式沒問題，接下來就可以接收新浪服務器返回的數據了：

# 接收數據：

buffer = []

while True:

? ? ? ? # 每次最多接收1K字節

? ? ? ? d = s.recv(1024)

? ? ? ? if d:

? ? ? ? ? ? ? ? buffer.append(d)

? ? ? ? else:

? ? ? ? ? ? ? ? break

data = b''.join(buffer)

接收數據時，調用recv(max)方法，一個最多接收指定的字節數，因此，在一個while循環中反復接收，知道recv()返回空數據，表示接收完畢，退出循環。

當我們接收完數據后，調用close()方法關閉socket,這樣，一次完整的網絡通信就結束了：

# 關閉連接

s.close()

接收到的數據包括HTTP頭和網頁本身，我們只需要把HTTP頭和網頁分離一下，把HTTP頭打印出來，網頁內容保存到文件：

header,html = data.split(b'\r\n\r\n',1)

print(header.decode('utf-8'))

# 把接收的數據寫入文件

with open ('sina.html','wb') as f:

? ? ? ? f.write(html)

現在，只需要在瀏覽器中打開這個sina.html文件，就可以看到新浪的首頁了。

服務器

和客戶端編程相比，服務器編程就要復雜一些。

服務器進程首先要綁定一個端口并監聽來自其他客戶端的連接。如果某個客戶端連接過來了，服務器就與該客戶端建立socket連接，隨后的通信就靠這個socket連接了。

所以，? ? 服務器會打開固定端口（比如80）監聽，每來一個客戶端連接，就創建該socket連接。由于服務器會有大量來自客戶端的連接，所以，服務器要能夠區分一個socket連接是和哪個客戶端綁定的。一個socket依賴4項：服務器地址、服務器端口、客戶端地址、客戶端端口來唯一確定一個socket。

但是服務器還需要同時響應多個客戶端的請求，所以，每個連接都需要一個新的進程或者新的線程來處理，否則，服務器一次就只能服務一個客戶端了。

我們來編寫一個簡單的服務器程序，它接收客戶端連接，把客戶端發來過的字符串加上Hello再發回去

首先，創建一個基于IPv4和TCP協議的socket：

s = socket.socket(scoket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

然后，我們要綁定監聽的地址和端口。服務器可能 有多塊兒網卡，可以綁定在某一塊網卡的IP地址上，也可以用0.0.0.0 綁定到所有的網絡地址，還可以用127.0.0.1 綁定到本機地址，127.0.0.1 是一個特殊的IP地址，表示本機地址，如果綁定到這個地址，客戶端必須同時在本機運行才能連接，也就是說，外部的計算機無法連接進來。

端口號需要預先指定。因為我們寫的這個服務不是標準服務，所以用9999 這個端口號。請注意，小于1024的端口號必須要有管理員權限才能綁定：

# 監聽端口：

s.bind('127.0.0.1',9999)

緊接著，調用listen()方法開始監聽端口，傳入的參數指定等待連接的最大數量：

s.listen(5)

print("waiting for connetion...")

接下來，服務器程序通過一個永久循環來接受來自客戶端的連接，accept()會等待并返回一個客戶端的連接：

while True:

? ? ? ? # 接受一個新連接

? ? ? ? sock,addr = s.accept()

? ? ? ? # 創建新線程來處理TCP連接

? ? ? ? t = threading.Thread(target = tcplink, args = (sock,addr))

? ? ? ? t.start()

每個連接都必須創建新線程（或進程）來處理，否則，單線程在處理連接的過程中，無法接受其他客戶端的連接

def tcplink(sock,addr):

? ? ? ? print("Accept new connection from %s:%s..." % addr)

? ? ? ? sock.send(b'welcome!')

? ? ? ? while True:

? ? ? ? ? ? ? ? data = sock.recv(1024)

? ? ? ? ? ? ? ? time.sleep(1)

? ? ? ? ? ? ? ? if not data or data.decode('utf-8') == 'exit':

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? break?

? ? ? ? ? ? ? ? sock.send(('hello,%s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8'))

? ? ? ? sock.close()

? ? ? ? print("Connection from %s:%s closed." % addr)

連接建立后，服務器首先發一條歡迎消息，然后等待客戶端數據，并加上Hello再發送給客戶端。如果客戶端發送了exit字符串，就直接關閉連接。

要測試這個服務器程序，我們還需要編寫一個客戶端程序：

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

# 建立連接:

s.connect(('127.0.0.1',9999))

# 接收歡迎消息:

print(s.recv(1024).decode('utf-8'))

fordatain[b'Michael',b'Tracy',b'Sarah']:

????????# 發送數據:

????????s.send(data)?

? ? ? ? print(s.recv(1024).decode('utf-8'))

s.send(b'exit')

s.close()

我們需要打開兩個命令行窗口，一個運行服務器程序，另一個運行客戶端程序，就可以看到效果了：

需要注意的是，客戶端程序運行完畢就退出了，而服務器程序會永遠運行下去，必須按Ctrl+C退出程序。

小結

用TCP協議進行Socket編程在Python中十分簡單，對于客戶端，要主動連接服務器的IP和指定端口，對于服務器，要首先監聽指定端口，然后，對每一個新的連接，創建一個線程或進程來處理。通常，服務器程序會無限運行下去。

同一個端口，被一個Socket綁定了以后，就不能被別的Socket綁定了。

udp編程

TCP是建立可靠連接，并且通信雙方都可以以流的形式發送數據。相對TCP，UDP則是面向無連接的協議。

使用UDP協議時，不需要建立連接，只需要知道對方的IP地址和端口號，就可以直接發數據包。但是，能不能到達就不知道了。

雖然用UDP傳輸數據不可靠，但它的優點是和TCP相比，速度快，對于不要求可靠到達的數據，就可以使用UDP協議。

我們來看看如何通過UDP協議傳輸數據。和TCP類似，使用UDP的通信雙方也分為客戶端和服務器，服務器首先需要綁定端口：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 綁定端口:

s.bind(('127.0.0.1',9999))

創建socket時，SOCK_DGRAM指定了這個socket 的類型是UDP。綁定端口和TCP一樣，但是不需要調用listen()方法，而是直接接受來自任何客戶端的數據：

print('Bind UDP on 9999...')

whileTrue:

????????# 接收數據:

????????data, addr = s.recvfrom(1024)

????????print('Received from %s:%s.'% addr)?

?????????s.sendto(b'Hello, %s!'% data, addr)

recvfrom() 方法返回數據和客戶端地址與端口，這樣，服務器受到數據后，直接調用sendto() 就可以把數據用UDP發給客戶端。

注意這里省掉了多線程，因為這個例子很簡單。

客戶端使用UDP時，首先仍然創建基于UDP的socket，然后，不需要調用connnect(), 直接通過sendto() 給服務器發數據：

s = socket.socket(socket.AF_INET,socekt.SOCK_DGRAM)

for data in [b'Micjael' , b'Tracy' , b'Sarah']:

? ? ? ? # 發送數據

? ? ? ? s.sendto(data, ('127.0.0.1',9999))

? ? ? ? # 接收數據

? ? ? ? print(s.recv(1024).decode('utf-8')

s.close()

從服務器接收數據仍然調用recv()方法。

仍然用兩個命令行分別啟動服務器和客戶端測試，結果如下：

小結

UDP的使用與TCP類似，但是不需要建立連接。此外，服務器綁定的UDP端口和TCP端口互不沖突，也就是說，UDP的9999端口與TCP的9999端口可以各自綁定