网络编程基础:socket


socket模块(底层网络接口)提供了访问 BSD 套接字 的接口。在所有现代 Unix 系统、Windows、macOS 和其他一些平台上可用。

概述

Socket 又称”套接字”,应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求,使主机间或者一台计算机上的进程间可以通讯。这个 Python 接口是用 Python 的面向对象风格对 Unix 系统调用和套接字库接口的直译:函数 socket() 返回一个 套接字对象,其方法是对各种套接字系统调用的实现。形参类型一般与 C 接口相比更高级:例如在 Python 文件 read()write() 操作中,接收操作的缓冲区分配是自动的,发送操作的缓冲区长度是隐式的。

  • 模块 socketserver:用于简化网络服务端编写的类。
  • 模块 ssl:套接字对象的TLS/SSL封装。

套接字协议族

根据系统以及构建选项,socket模块提供了各种套接字协议簇。

协议(Protocol)就是网络通信过程中的约定或者合同,通信的双方必须都遵守才能正常收发数据。协议有很多种,例如 TCP、UDP、IP 等,通信的双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范,由计算机组织制定,规定了很多细节,例如,如何建立连接,如何相互识别等。

协议仅仅是一种规范,必须由计算机软件来实现。例如 IP 协议规定了如何找到目标计算机,那么各个开发商在开发自己的软件时就必须遵守该协议,不能另起炉灶。

TCP/IP 模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百个互为关联的协议,其中 TCP 和 IP 是最常用的两种底层协议,所以把它们统称为“TCP/IP 协议族”。它们的层级关系如下图所示:

我们平常使用的程序(或者说软件)一般都是通过应用层来访问网络的,程序产生的数据会一层一层地往下传输,直到最后的网络接口层,就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层,就会被这一层的协议增加一层包装,等到发送到互联网上时,已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。

当另一台计算机接收到数据包时,会从网络接口层再一层一层往上传输,每传输一层就拆开一层包装,直到最后的应用层,就得到了最原始的数据,这才是程序要使用的数据。

给数据加包装的过程,实际上就是在数据的头部增加一个标志(一个数据块),表示数据经过了这一层,我已经处理过了。给数据拆包装的过程正好相反,就是去掉数据头部的标志,让它逐渐现出原形。

两台计算机进行通信时,必须遵守以下原则:

  • 必须是同一层次进行通信,比如,A 计算机的应用层和 B 计算机的传输层就不能通信,因为它们不在一个层次,数据的拆包会遇到问题。
  • 每一层的功能都必须相同,也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同,那不就乱套了,谁都不认识谁。
  • 数据只能逐层传输,不能跃层。
  • 每一层可以使用下层提供的服务,并向上层提供服务。

路由器用来完成 IP 层的交互任务。某个网络原来使用 A 公司的路由器,现要将其替换成 B 公司的,是否可行?这并非难事,并不一定要换成同一公司的同一型号路由器,因为所有生产商都会按照 IP 层标准制造。再举个例子。大家的计算机是否装有网络接口卡,也就是所谓的网卡?尚未安装也无妨,其实很容易买到,因为所有网卡制造商都会遵守链路层的协议标准。这就是开放式系统的优点。

IP 地址

IP 地址是 Internet Protocol Address 的缩写,译为“网际协议地址”。一台计算机可以拥有一个独立的 IP 地址,一个局域网也可以拥有一个独立的 IP 地址(对外就好像只有一台计算机)。对于目前广泛使用 IPv4 地址,它的资源是非常有限的,一台计算机一个 IP 地址是不现实的,往往是一个局域网才拥有一个 IP 地址。

在因特网上进行通信时,必须要知道对方的 IP 地址。实际上数据包中已经附带了 IP 地址,把数据包发送给路由器以后,路由器会根据 IP 地址找到对方的地里位置,完成一次数据的传递。路由器有非常高效和智能的算法,很快就会找到目标计算机。

MAC地址

现实的情况是,一个局域网往往才能拥有一个独立的 IP;换句话说,IP 地址只能定位到一个局域网,无法定位到具体的一台计算机。这可怎么办呀?这样也没法通信啊。

其实,真正能唯一标识一台计算机的是 MAC 地址,每个网卡的 MAC 地址在全世界都是独一无二的。计算机出厂时,MAC 地址已经被写死到网卡里面了(当然通过某些“奇巧淫技”也是可以修改的)。局域网中的路由器/交换机会记录每台计算机的 MAC 地址。

MAC 地址是 Media Access Control Address 的缩写,直译为“媒体访问控制地址”,也称为局域网地址(LAN Address),以太网地址(Ethernet Address)或物理地址(Physical Address)。

数据包中除了会附带对方的 IP 地址,还会附带对方的 MAC 地址,当数据包达到局域网以后,路由器/交换机会根据数据包中的 MAC 地址找到对应的计算机,然后把数据包转交给它,这样就完成了数据的传递。

端口号

有了 IP 地址和 MAC 地址,虽然可以找到目标计算机,但仍然不能进行通信。一台计算机可以同时提供多种网络服务,例如 Web 服务(网站)、FTP 服务(文件传输服务)、SMTP 服务(邮箱服务)等,仅有 IP 地址和 MAC 地址,计算机虽然可以正确接收到数据包,但是却不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理,所以通信失败。

为了区分不同的网络程序,计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号(Port Number),例如,Web 服务的端口号是 80,FTP 服务的端口号是 21,SMTP 服务的端口号是 25。

端口(Port)是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门,数据通过这道门流入流出,每道门有不同的编号,就是端口号。


文章作者: xinetzone
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