网络通信实现

【 一 】网络通信实现

【 1 】实现网络通信的四要素

  • 本机的ip地址

  • 子网掩码

  • 网关的IP地址

  • DNS的IP地址( 域名系统)

DNS服务器是指提供域名解析服务的服务器。它负责将域名转换为相应的IP地址，以便计算机可以通过IP地址与其他设备进行通信。

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通过使用DNS服务器，计算机可以方便地将域名转换为IP地址，并与其他设备进行通信。这在互联网中起到了至关重要的作用。

【2】获取四要素的两种方式

（1） 静态获取

  • 即手动配置

（2）动态获取

  • 通过dhcp获取

以太网头 IP 头 udp头 dhcp数据包

  1. 最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：00:1A:2B:3C:4D:5E）。

  2. 后面的‘IP标头’，设置发出的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者， 本机都不知道。 于是， 发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255

  3. 最后面的‘UDP标头’， 设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口

  4. DHCP数据包（DHCP Packet） : DHCP数据包是动态主机配置协议 （DHCP）中用于自动分配网络配置的信息交换单元。 DHCP数据包由于以下字段组成：

    • 操作码: 指明数据包的类型， 如请求、回复等。

    • 硬件地址: 指明客户端设备的物理地址， 通常是MAC地址。

    • 选项信息: 包括IP地址租约时间、子网掩码、默认网关等配置参数。

【 二 】DNS域名解析

【 1 】DNS的作用

        DNS（Domain Name System，域名系统）是一种用于将域名转换成IP地址的分布式数据库系统。

（1）DNS的作用

  1. 域名解析：最基本的作用是将域名解析为对应的IP地址。当用户在浏览器中输入一个域名时，操作系统会向本地DNS服务器发送查询请求，本地DNS服务器会递归地向其它DNS服务器查询，直到找到该域名对应的IP地址。然后，操作系统将获取到的IP地址返回给浏览器，浏览器通过该IP地址与服务器建立连接。

  2. 负载均衡：DNS还可以用于实现负载均衡。当一个域名对应多个IP地址时，DNS服务器可以根据配置的策略将请求分发到不同的服务器上，从而均衡地分担服务器的负载，提高系统的性能和可用性。

  3. 邮件传递：DNS在邮件系统中也扮演重要角色。MX记录指定了接收邮件的服务器地址，当发送邮件时，邮件服务器会查找目标域名的MX记录，将邮件发送到相应的服务器上。

  4. 安全性：DNS在安全方面也起到关键作用。例如，DNSSEC（DNS Security Extensions）可以提供域名数据的数字签名，确保域名解析结果的真实性和完整性，防止DNS劫持和欺骗攻击。

        总之，DNS的作用是通过将域名解析为对应的IP地址，实现互联网上不同计算机和服务之间的可访问性。同时，DNS还可以用于负载均衡、邮件传递和安全性保证等方面，为互联网的正常运行提供了重要支持。

（2）为什么一定要设置DNS才能上网

有一些客户端应用是打不开网页的，其实大部分原因都是因为DNS服务器故障造成的， DNS服务器地址是唯一的。它们是设定不了DNS服务器地址，那么就无法查询地址的去向，自然也就打不开网页。

而QQ、微信等聊天软件，它们采用的协议是不一样的UDP传输协议， 即不可靠传输协议，无需提供DNS服务器地址， 也同样可以登陆。

【2】DNS的两种查询方式

（1）递归

  • 主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。

  • 所谓递归查询就是：

    • 如果主机询问的本地域名服务器不知道被查询的域名IP地址

    • 那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文（即替主机继续查询）

    • 而不是让主机自己进行下一步查询。

    因此，递归查询返回的查询结果或者是所要查询的IP地址，或者是报错，表示无法查询到所需的IP地址。

（2）迭代

  • 本地域名服务器向根域名服务器的查询的迭代查询。

  • 迭代查询的特点：

    • 当根域名服务器收到本地域名服务器发出的迭代查询请求报文时

      • 要么个所要查询的IP地址

      • 要么高数本地服务器： ‘你下一本应当向哪一个域名服务器进行查询。’

    • 然后让本地服务器进行后续的查询。

    • 根域名服务器通常是把自己知道的停机域名服务器的IP地址高数本地狱名服务器，让本地域名服务器再向停机域名服务器查询。

    • 顶级域名服务器在收到本地域名服务器的查询请求后

      • 要么给出所要查询的IP地址

      • 要么高数本地服务器下一步应当想哪一个权限域名服务器进行查询。

    • 最后，知道了所要解析的IP地址或报错，然后把这个结果返回给发起查询的主机

    总结：
    递归查询在查询过程中只向DNS服务器发起一次请求，DNS服务器一直查找直到找到所需的解析记录，然后返回给客户端。
    而迭代查询则是向DNS服务器发起多次请求，每次请求都会返回指向下一个域名服务器的IP地址或被告知去联系另一个DNS服务器，客户端需要不断向本地DNS服务器发送查询请求，直到回去到最终的IP地址。

【三】Scoket

【1】Scoket层在哪

【2】什么是scoket

Scoket是可以理解为一种抽象端点，它可以用来建立网络连接、发送和接收数据。通过Socket，应用程序可以在不同的计算机之间进行数据交换，实现客户端与服务器之间的通信。

总之：Scoket是一种用于实现网络通信的编程接口，它允许应用程序通过网络在不同的计算机之间进行数据传输和通信。

【3】套接字发展史以及分类

1971年， 美国的伯克利大学开发了第一个实现套接字概念的Unix操作系统。也就是BSD Unix.

分类：

  • 流式套接字（SOCK_STREAM）：提供可靠、面向连接的通信方式，例如TCP协议。
  • 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：提供无连接、不可靠的通信方式，例如UDP协议。
  • 原始套接字（SOCK_RAW）：可以直接访问底层网络协议，例如IP协议和ICMP协议。主要用于网络管理和安全领域。
  • 序列包套接字（SOCK_SEQPACKET）：提供可靠的数据传输服务，保证数据包按照顺序到达。

（1）基于文件型

  • 基于文件系统实现的套接字。

  • 使用UNIX域协议 （Unix Domain Protocol） 进行通信

  • 适用于进程通信（IPC）， 在同一台主机上的进程可以通过该类型套接字互相通信。

（2）网络型套接字

  • 基于网络协议实现的套接字。

  • 包括TCP套接字和UDP套接字， 使用TCP/IP协议进行通信。

  • 适用于网络通信， 可以实现跨主机的进程通信。

需要注意的是， 套接字作为一种通信接口， 实际上并不是文件， 只是UNIX系统中一文件描述的形式存在。因此，我们可以将套接字分为文件型套接字和网络型套接字，以便更好地区分它们的特点和使用场景。

【 四 】TCP协议

TCP（传输控制协议）是一种可靠的、面向连接的网络传输协议，它在计算机网络中提供可靠的数据传输。下面是使用TCP协议的一般流程：

  1. 服务器端创建Socket：服务器应用程序首先创建一个Socket对象，并绑定到特定的IP地址和端口号上，以侦听客户端的连接请求。

  2. 客户端创建Socket：客户端应用程序创建一个Socket对象，并指定服务器的IP地址和端口号，尝试连接到服务器。

  3. 三次握手建立连接：客户端向服务器发送连接请求报文段，服务器接收到请求后可以同意连接，回复一个确认报文段，客户端再发送一个确认报文段，完成连接的建立。

  4. 数据传输：连接建立后，客户端和服务器之间可以通过Socket对象进行数据传输。应用程序可以使用Socket API提供的函数，将数据写入Socket发送给对方，对方则可以通过Socket接收数据。

  5. 四次挥手断开连接：当连接不再需要时，任何一方都可以发送断开连接的请求，并等待对方的确认。双方都发送了断开请求并确认后，连接才会完全关闭。

在IPv4协议中，本地回环地址是127.0.0.1，

在使用TCP协议进行数据传输时，TCP提供了许多功能，如分段、序列号、确认和重传等，以确保数据的可靠性和顺序性。这使得TCP成为应用层协议（如HTTP、FTP等）的常用传输协议，用于可靠地传输数据。

【五】什么是socket粘包

【1】什么是socket的粘包

Socket粘包是值在网络通信中， 由于数据传输的不可预测性，导致接受无法准确的确区分和解析接收到的数据包，使得多个数据包黏在一起，形成一个较大的粘包。这种情况可能会影响同学的可靠性和正确性。

造成Socket粘包的主要原因有两个：

  • TCP协议的特性： TCP是面向流的协议，它提供的是一个字节流的传输，而不是固定大小的的消息。发送方写入的数据以字节为单位被传输，而接收方则以字节为单位进行读取。这就导致了接收方法无法知道数据的边界，容易将多个发送方的小消息喝不成一个大消息，或者将一个大消息拆分成多个小消息

  • 发送频率较快：如果发送方的数据发送速度很快，而接收发的处理速度较慢，接收方可能在处理一个数据包时已经接收到了下一个数据包，从而形成粘包。

解决Socket粘包问题的方法：

  • 消息边界：在消息中包含消息的长度信息， 这样接收方就可以根据长度信息准确地划分出每个完整的消息。这可以通过在消息头部添加长度字段实现。

  • 定界符：使用特殊的字符或序列作为消息的定界符，表示一个消息的结束。接收方通过检测定界符来确定消息的边界。

  • 使用更高层次的协议：例如：使用HTTP或者其他应用层协议，他们通常已经定义了消息的格式和边界。

  • 使用缓冲区：接收方可以使用缓冲区逐步接收数据，并根据特定的规则来提取完整的消息。

【2】解决粘包现象的思路

（1）服务端 

先计算总数据长度 ----> 打到字典 ----> 转成josn字符串 ----> json字符串转成二进制 ----> 计算json二进制的长度 ----> struct打包成四个字节的二进制数据

先发送4个长度的二进制数据 ----> json二进制数据 ----> 总的数据

（1）客户端

先接收收到4个长度的二进制数据 ----> 转码（json二进制数据的长度）----> 继续从通道里面取出json二进制长度的二进制数据 ----> 转码（总数据的长度）----> 获取总的数据

先接收4长度的struct二进制数据 ----> josn二进制数据 ----> 总数据

【六】struct模块如何使用

【1】format参数用于指定打包和解包数据的格式

  • 整数类型：

    • b：有符号字节（signed char）
    • B：无符号字节（unsigned char）
    • h：有符号短整数（signed short）
    • H：无符号短整数（unsigned short）
    • i：有符号整数（signed int）
    • I：无符号整数（unsigned int）
    • l：有符号长整数（signed long）
    • L：无符号长整数（unsigned long）
    • q：有符号长长整数（signed long long）
    • Q：无符号长长整数（unsigned long long）

  • 浮点类型：

    • f：单精度浮点数（float）
    • d：双精度浮点数（double）

  • 字符串类型：

    • s：固定长度的字符串，后面跟上字符串长度。例如，10s表示长度为10的字符串。
    • p：与s类似，但会自动在字符串后面添加空字节。例如，10p表示长度为10的字符串，末尾会自动添加空字节。

  • 其他类型：

    • ?：布尔值（bool）
    • x：占位符，用于对齐数据

在使用format参数时，可以将多个格式代码组合在一起。例如，'ihi'表示有符号整数、有符号短整数、有符号整数的顺序。

需要注意的是，在使用struct模块时，打包和解包数据的格式必须一致，否则会导致数据解析错误。

【2】使用方法

import struct# 打包数据
data = struct.pack('10s',  b'123')
print(f"打包数据 data: {data}")# 解包数据
unpacked_data = struct.unpack('10s', data)
print(f"解包数据 data: {unpacked_data}")
# 打包数据 data: b'123\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'
# 解包数据 data: (b'123\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00',)

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