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本系列主要學(xué)習(xí)Python的基本使用和語法知識，后續(xù)可能會圍繞著AI學(xué)習(xí)展開。
Python3 (1) Python語言的簡介
 Python3 (2) Python語法基礎(chǔ)
Python3 (3) Python函數(shù)
Python3 (4) Python高級特性
 Python3 (5) Python 函數(shù)式編程
 Python3 (6) Python 模塊
 Python3 (7) Python 面向?qū)ο缶幊?/a>
Python3 (8) Python 面向?qū)ο蟾呒壘幊?/a>
Python3 (9) Python 錯誤、調(diào)試和測試
 Python3 (10) Python IO編程
 Python3 (11) Python 進(jìn)程和線程
 Python3 (12) Python 常用內(nèi)建模塊
 Python3 (13) Python 常用第三方模塊
 Python3 (14) Python 網(wǎng)絡(luò)編程

首先說一下最近要忙別的事情，Python 學(xué)習(xí)可能會中斷一小段時間，不過基礎(chǔ)篇已經(jīng)差不多學(xué)習(xí)完了，再次開始學(xué)習(xí)的時候主要以項目的形式學(xué)習(xí)，穿插剩余的知識點，Python (13) 常見的第三方模塊還沒完成，之后會寫完發(fā)出，今天主要是學(xué)習(xí) Python 的網(wǎng)絡(luò)編程，順便復(fù)習(xí)一下網(wǎng)絡(luò)編程這塊的知識。

網(wǎng)絡(luò)編程

網(wǎng)絡(luò)編程就是如何在程序中實現(xiàn)兩臺計算機(jī)的通信，現(xiàn)在的應(yīng)用基本上都需要網(wǎng)絡(luò)，單機(jī)應(yīng)用基本上很少，所以網(wǎng)絡(luò)編程是一個非常重要又非?；A(chǔ)的知識點，并且網(wǎng)絡(luò)編程對所有開發(fā)語言都是一樣的，Python也不例外。用Python進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，就是在Python程序本身這個進(jìn)程內(nèi)，連接別的服務(wù)器進(jìn)程的通信端口進(jìn)行通信。

TCP/IP簡介

從互聯(lián)網(wǎng)說起，之所以現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)無處不在，就是因為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展過程中形成了一套全球通用的協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇（Internet Protocol Suite）就是通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。因為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議包含了上百種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但是最重要的兩個協(xié)議是TCP和IP協(xié)議，所以，大家把互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議簡稱TCP/IP協(xié)議。

IP地址：通信的時候，雙方必須知道對方的標(biāo)識，互聯(lián)網(wǎng)上每個計算機(jī)的唯一標(biāo)識就是IP地址，類似123.123.123.123。如果是路由器，它就會有兩個或多個IP地址，所以，IP地址對應(yīng)的實際上是計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口，通常是網(wǎng)卡，IP 協(xié)議位于 TCP/IP 協(xié)議的第三層——網(wǎng)絡(luò)層。與傳輸層協(xié)議相比，網(wǎng)絡(luò)層的責(zé)任是提供點到點(hop by hop)的服務(wù)，而傳輸層（TCP/UDP）則提供端到端(end to end)的服務(wù)。。
IP協(xié)議：負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從一臺計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到另一臺計算機(jī)。數(shù)據(jù)被分割成一小塊一小塊，然后通過IP包發(fā)送出去。由于互聯(lián)網(wǎng)鏈路復(fù)雜，兩臺計算機(jī)之間經(jīng)常有多條線路，因此，路由器就負(fù)責(zé)決定如何把一個IP包轉(zhuǎn)發(fā)出去。IP包的特點是按塊發(fā)送，途徑多個路由，但不保證能到達(dá)，也不保證順序到達(dá)。
TCP協(xié)議：TCP協(xié)議則是建立在IP協(xié)議之上的。TCP協(xié)議負(fù)責(zé)在兩臺計算機(jī)之間建立可靠連接，保證數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)。TCP協(xié)議會通過握手建立連接，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(fā)。比如用于瀏覽器的HTTP協(xié)議、發(fā)送郵件的SMTP協(xié)議都是在TCP 協(xié)議基礎(chǔ)上定義的更高級的協(xié)議。一個TCP報文除了包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)外，還包含源IP地址和目標(biāo)IP地址，源端口和目標(biāo)端口。
Socket：Socket 是對 TCP/IP 協(xié)議族的一種封裝，是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層。從設(shè)計模式的角度看來，Socket其實就是一個門面模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議；Socket 還可以認(rèn)為是一種網(wǎng)絡(luò)間不同計算機(jī)上的進(jìn)程通信的一種方法，利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信可以利用這個標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互；Socket 起源于 Unix ，Unix/Linux 基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開(open) –> 讀寫(write/read) –> 關(guān)閉(close)”模式來進(jìn)行操作。因此 Socket 也被處理為一種特殊的文件。

TCP編程

Socket表示“打開了一個網(wǎng)絡(luò)鏈接”，而打開一個Socket需要知道目標(biāo)計算機(jī)的IP地址和端口號，再指定協(xié)議類型即可。創(chuàng)建TCP連接時，主動發(fā)起連接的叫客戶端，被動響應(yīng)連接的叫服務(wù)器。

客戶端：

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

# 導(dǎo)入socket庫:
import socket

# 創(chuàng)建一個socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立連接:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))
# 發(fā)送數(shù)據(jù):
s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n')
# 接收數(shù)據(jù):
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字節(jié):
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b''.join(buffer)
# 關(guān)閉連接:
s.close()
# 分離HTTP頭和網(wǎng)頁
header, html = data.split(b'\r\n\r\n', 1)
print(header.decode('utf-8'))
# 把接收的數(shù)據(jù)寫入文件:
with open('sina.html', 'wb') as f:
    f.write(html)

輸出結(jié)果：
在目錄下生成 sina.html文件，打開就是新浪首頁。每一步操作都備注了，可以看出客戶端要發(fā)起一個網(wǎng)絡(luò)請求需要 5 步，創(chuàng)建 socket 時需要指定是那種協(xié)議，SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP協(xié)議。接受完數(shù)據(jù)后要記得關(guān)閉 socket。

服務(wù)端：

#server
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket, threading, time
#TCP socket based on ipv4
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

#listening on port
s.bind(('127.0.0.1', 9999))
s.listen(5)
print("Waiting for connection...")

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)

while True:
    # receive a new connect
    sock, addr = s.accept()
    # make a new thread dispose TCPlink
    t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))
    t.start()

#client
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
#establish connection
s.connect(('127.0.0.1', 9999))
#receive a welcome message
print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
for data in [b'Lambda', b'Bond', b'alpha']:
    #send data
    s.send(data)
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.send(b'exit')
s.close()

輸出結(jié)果：

#server:
Waiting for connection...
Accept new connection from 127.0.0.1:64705...
Connection from 127.0.0.1:64705 closed.
#client:
Welcome!
Hello, Lambda!
Hello, Bond!
Hello, alpha!

以上完成了一個客戶端使用TCP協(xié)議發(fā)出請求，服務(wù)器接收處理，返回客戶端信息的完整過程。以下是TCP編程的特點：

TCP 提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)
在一個 TCP 連接中，僅有兩方進(jìn)行彼此通信。廣播和多播不能用于 TCP
TCP 使用校驗和，確認(rèn)和重傳機(jī)制來保證可靠傳輸
TCP 給數(shù)據(jù)分節(jié)進(jìn)行排序，并使用累積確認(rèn)保證數(shù)據(jù)的順序不變和非重復(fù)
TCP 使用滑動窗口機(jī)制來實現(xiàn)流量控制，通過動態(tài)改變窗口的大小進(jìn)行擁塞控制
注意：TCP 并不能保證數(shù)據(jù)一定會被對方接收到，因為這是不可能的。TCP 能夠做到的是，如果有可能，就把數(shù)據(jù)遞送到接收方，否則就（通過放棄重傳并且中斷連接這一手段）通知用戶。因此準(zhǔn)確說 TCP 也不是 100% 可靠的協(xié)議，它所能提供的是數(shù)據(jù)的可靠遞送或故障的可靠通知。

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(fā)送數(shù)據(jù)。相對TCP，UDP則是面向無連接的協(xié)議。使用UDP協(xié)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(fā)數(shù)據(jù)包。但是，能不能到達(dá)就不知道了。

缺點：UDP傳輸數(shù)據(jù)不可靠
優(yōu)點：和TCP比，速度快，對于不要求可靠到達(dá)的數(shù)據(jù)，就可以使用UDP協(xié)議

直接上代碼：

#server
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import socket

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

# 綁定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))

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

while True:
    # 接收數(shù)據(jù):
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print('Received from %s:%s.' % addr)
    reply = 'Hello, %s!' % data.decode('utf-8')
    s.sendto(reply.encode('utf-8'), addr)

#Client
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import socket

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

for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 發(fā)送數(shù)據(jù):
    s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
    # 接收數(shù)據(jù):
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))

s.close()

輸出結(jié)果：

#server:
Bind UDP on 9999...
Received from 127.0.0.1:56838.
Received from 127.0.0.1:56838.
Received from 127.0.0.1:56838.
#client:
Hello, Michael!
Hello, Tracy!
Hello, Sarah!

以上就是UDP協(xié)議的使用，UDP的使用與TCP類似，但是不需要建立連接。此外，服務(wù)器綁定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。以下是幾個UDP編程的特點：

UDP 缺乏可靠性。UDP 本身不提供確認(rèn)，序列號，超時重傳等機(jī)制。UDP 數(shù)據(jù)報可能在網(wǎng)絡(luò)中被復(fù)制，被重新排序。即 UDP 不保證數(shù)據(jù)報會到達(dá)其最終目的地，也不保證各個數(shù)據(jù)報的先后順序，也不保證每個數(shù)據(jù)報只到達(dá)一次
UDP 數(shù)據(jù)報是有長度的。每個 UDP 數(shù)據(jù)報都有長度，如果一個數(shù)據(jù)報正確地到達(dá)目的地，那么該數(shù)據(jù)報的長度將隨數(shù)據(jù)一起傳遞給接收方。而 TCP 是一個字節(jié)流協(xié)議，沒有任何（協(xié)議上的）記錄邊界。
UDP 是無連接的。UDP 客戶和服務(wù)器之前不必存在長期的關(guān)系。UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)報之前也不需要經(jīng)過握手創(chuàng)建連接的過程。
UDP 支持多播和廣播。

TCP三次握手與四次揮手機(jī)制

所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個 TCP 連接時，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個包。

三次握手的目的是連接服務(wù)器指定端口，建立 TCP 連接，并同步連接雙方的序列號和確認(rèn)號，交換 TCP 窗口大小信息。在 socket 編程中，客戶端執(zhí)行 connect() 時。將觸發(fā)三次握手。

第一次握手(SYN=1, seq=x):

客戶端發(fā)送一個 TCP 的 SYN 標(biāo)志位置1的包，指明客戶端打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號 X,保存在包頭的序列號(Sequence Number)字段里。

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 SYN_SEND 狀態(tài)。

第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1):

服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)包(ACK)應(yīng)答。即 SYN 標(biāo)志位和 ACK 標(biāo)志位均為1。服務(wù)器端選擇自己 ISN 序列號，放到 Seq 域里，同時將確認(rèn)序號(Acknowledgement Number)設(shè)置為客戶的 ISN 加1，即X+1。發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 SYN_RCVD 狀態(tài)。

第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客戶端再次發(fā)送確認(rèn)包(ACK)，SYN 標(biāo)志位為0，ACK 標(biāo)志位為1，并且把服務(wù)器發(fā)來 ACK 的序號字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對方，并且在數(shù)據(jù)段放寫ISN的+1

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)器端接收到這個包時，也進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，TCP 握手結(jié)束。

三次握手的過程的示意圖如下：

三次握手

TCP 的連接的拆除需要發(fā)送四個包，因此稱為四次揮手(Four-way handshake)，也叫做改進(jìn)的三次握手?？蛻舳嘶蚍?wù)器均可主動發(fā)起揮手動作，在 socket 編程中，任何一方執(zhí)行 close() 操作即可產(chǎn)生揮手操作。

第一次揮手(FIN=1，seq=x)

假設(shè)客戶端想要關(guān)閉連接，客戶端發(fā)送一個 FIN 標(biāo)志位置為1的包，表示自己已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)可以發(fā)送了，但是仍然可以接受數(shù)據(jù)。

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 FIN_WAIT_1 狀態(tài)。

第二次揮手(ACK=1，ACKnum=x+1)

服務(wù)器端確認(rèn)客戶端的 FIN 包，發(fā)送一個確認(rèn)包，表明自己接受到了客戶端關(guān)閉連接的請求，但還沒有準(zhǔn)備好關(guān)閉連接。

發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，客戶端接收到這個確認(rèn)包之后，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)，等待服務(wù)器端關(guān)閉連接。

第三次揮手(FIN=1，seq=y)

服務(wù)器端準(zhǔn)備好關(guān)閉連接時，向客戶端發(fā)送結(jié)束連接請求，F(xiàn)IN 置為1。

發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 LAST_ACK 狀態(tài)，等待來自客戶端的最后一個ACK。

第四次揮手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客戶端接收到來自服務(wù)器端的關(guān)閉請求，發(fā)送一個確認(rèn)包，并進(jìn)入 TIME_WAIT狀態(tài)，等待可能出現(xiàn)的要求重傳的 ACK 包。

服務(wù)器端接收到這個確認(rèn)包之后，關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

客戶端等待了某個固定時間（兩個最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，沒有收到服務(wù)器端的 ACK ，認(rèn)為服務(wù)器端已經(jīng)正常關(guān)閉連接，于是自己也關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

四次揮手的示意圖如下：

四次揮手

搞清楚握手和揮手規(guī)則，我們就可以設(shè)計如何防止或者說如何減少 SYN 攻擊：

縮短超時（SYN Timeout）時間（TCP KeepAlive）
增加最大半連接數(shù)
過濾網(wǎng)關(guān)防護(hù)
SYN cookies技術(shù)

參考

http://m.itdecent.cn/p/9968b16b607e（圖片來源）
https://hit-alibaba.github.io/interview/basic/network/HTTP.html
https://www.liaoxuefeng.com/wiki/0014316089557264a6b348958f449949df42a6d3a2e542c000/0014320037274136d31bd9979d648cd822375394e29a871000

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Python3(14) Python 網(wǎng)絡(luò)編程

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TCP/IP簡介

TCP編程

UDP編程

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