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[网络协议]计算机网络学习笔记

计算机网络——自顶向下方法

应用层

（一）应用层协议原理

网络应用程序研发核心：研究如何在不同端系统上运行以及通过网络实现通信的程序

应用程序体系结构：如何在不同端系统上组织该应用程序

客户-服务器体系
对等（P2P）体系结构

1、应用程序

（1）客户-服务器体系结构

服务器是一个总是开启，并且服务很多被称为客户的主机请求的主机

特点：1.客户之间不直接通信 2.服务器有固定的、周知的地址，被称为IP地址

（2）对等（P2P）体系结构

对位于数据中心的服务器有最小的依赖性，间断连接的主机对之间直接连接进行通信，因此，这些主机对又被称为对等方

因为对等方之间的通信不需要经过专用的服务器，因此，这种体系结构又被称为对等方到对等方的

**特点：**自拓展性——在工作过程中，每个对等对在增加了系统的工作负载的同时，也提高了系统的服务能力。

? 成本较低——对服务器要求较低

2、进程通信

进程：可以理解为运行在端系统上的程序

进程通信：不同主机上的程序之间进行通信的过程

通信介质：运行在不同主机上的进程，通过跨越计算机网络交换**报文（message）**实现通信

（1）客户-服务器进程

在一对进程进行通信的场景中，发起请求的进程为客户，在会话开始时等待联系的进程为服务器

（2）进程与计算机网络之间的接口

进程通过**套接字（socket）**向网络发送报文以及从网络中接收报文

套接字是应用层与传输层之间的接口

套接字也被称为应用程序与计算机网络之间的应用程序编程接口（API）

（3）进程寻址

对接收进程寻址需要定义的信息：

主机的地址（使用IP地址进行标识）
在目的主机上的接收进程的标识符（目的地**端口号（port number）**进行标识）

（4）进程通信的运输服务要求

可靠数据传输
- 确保应用程序的一端发送的数据能够完全、准确的传输到应用程序的另一端
吞吐量
- 发送进程能够向接收进程交付比特的速率
- 带宽敏感的应用：对进程通信的吞吐量要求较高
- 弹性应用：对进程通信的吞吐量要求较小
定时
- 端到端的时延较小
安全性

（5）因特网提供的运输服务

因特网为进程通信提供了两种运输层协议：1.TCP 2.UDP

1.TCP服务

TCP服务包括面向连接的服务和可靠的数据传送服务

面向连接的服务是为了在进程通信双方的套接字之间建立一条TCP连接

TCP协议还具有拥塞控制机制

2.UDP服务

UDP是一种不提供不必要服务的轻量级运输协议，提供最小服务，换言之，其提供一种不可靠的数据传送服务

在这里插入图片描述

（6）应用层协议

应用层协议定义内容：

交换的报文的类型
各种报文类型的语法
字段的语义
确定一个进程何时发送以及如何发送报文，对报文进行响应的规则

（七）套接字编程 - 生成网络应用

典型的网络程序是由一对程序（客户端程序和服务器程序）组成的，其分别运行在不同的端系统上

网络应用的开发核心就是编写客户程序与服务器程序

1、UDP套接字编程

在发送过程中，发送进程需要为分组附上目的地址

目的地址包括目的主机的IP地址以及目的地上指定套接字的端口号

源主机的地址同样也需要附在分组上

但是该过程由底层操作系统完成

（1）UDPClient.py

//导入UDP以及TCP通信所需要的socket模块
from socket import *

//指定与客户端通信的服务器地址
//这里的hostname可以是服务器的IP地址（10.134.4.3）或者是服务器的主机名（cis.poly.edu）
serverName = 'hostname'

//指定服务器的端口号
serverPort = 12000

//创建客户的套接字clientSocket
//AF_INET 表示底层网络使用的是IPv4；SOCK_DGRAM表示创建的是一个UDP套接字
clientSocket = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM)

//将用户输入的数据储存在变量massage中
massage = raw_input('Input lowercase sentence')

//在发送前需要将报文利用encode()方法转化为二进制
//由于使用的是UDP进行通信，因此，在客户与服务器之间并没有建立连接
//因此，在发送数据时，需要在后面加上目的主机即服务器的IP地址与指定套接字端口号
clientSocket.sendto(message.encode(),(servername, serverPoat))

//当一个报文经过因特网到达客户端主机的套接字上时，使用modifiedMessage变量将其储存
modifiedMassage, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048)

//将接收数据的二进制变量modifiedMessage转化为字符串并打印
print(modifiedMessage.decode())

//关闭套接字并关闭进程
clientSocket.close()

（2）UDPServer.py

from socket import *

//指定端口为12000
serverPort = 12000

//AF_INET 表示底层网络使用的是IPv4网络，SOCK_DGRAM表示创建的是UDP套接字
serverSocket = socket(AF_INET , SOCK_DGRAM)

//将端口号12000与套接字绑定在一起，这样，客户端发送数据到服务器时，就会自动导向该套接字
serverSocket.bind('', serverPort)

print("The server is ready to receive")

while true:
    message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048)
    modifiedMessage = message.decode().upper()
    serverSocket.sendto(modifiedMessage.encode(), clientAddress)

2、TCP套接字编程

（1）TCPClient.py

from socket import *

//指定服务器端口信息
serverName = 'hostname'
serverPoet = 12000

//SOCK_STREAM表示创建的是TCP套接字
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

//建立TCP连接，包含了TCP连接所需要的的三次握手，函数执行完成之后，在客户端与服务器之间建立了一条TCP连接
clientSocket.connect(serverName, serverPort)

sentence = raw_print("Input lowercase sentence")

//传输sentence字符串，注意在传输时都需要将其转化为二进制格式
clientSocket.send(sentence.encode())

//将接收的字符串储存在变量modifiedSentence中
modifiedSentence = clientSocket.recv(1024)

print("From server：", modifiedSentence.decode())

//断开TCP连接
clientSocket.close()

（2）TCPServer.py

from socket import *

serverPort = 12000

serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

serverSocket.bind = ('', serverPort)

//保持服务器一直保持运行状态
serverSocket.listen(1)

print("The server is ready to receive")

while true:
    //调用函数accept，创建套接字connectSocket，并且由特定的客户专用
    connectSocket, addr = serverSocket.accept()
    
    sentence = connectSocket.recv(1024).decode()
    capitalizedSentence = sentence.upper()
    connectSocket.send(capitalizedSentence.encode())
    connectSocket.close()

3、套接字编程比较

(1) UDP与TCP的客户端比较

前几部都是导入库，指定服务器名字，端口以及创建套接字
- UDP的套接字为DGRAM，TCP的套接字为SOCK_STREAM
接下来TCP需要使用套接字的connect函数建立TCP连接，但是UDP不需要
下一步都是定义发送数据的变量并使用函数raw_print函数进行发送数据的输入
接下来是发送数据
- UDP使用的是sendto函数，其格式为套接字.sendto(要发送的变量，（服务器姓名，服务器端口）)
- TCP使用的是send函数，其格式为套接字.send(要发送的变量)
- 发送数据时都要将其转化为二进制格式
下一步是接收数据
- UDP采用的是接收数据变量,服务器地址 = 套接字.recvfrom(2048)
- TCP采用的是接收数据变量 = 套接字.recv(1024)
最后是使用close函数关闭进程或者TCP连接

(2) UDP与TCP的服务器比较

前几步都是导入库，指定服务器端口，创建套接字并将端口分配给套接字
- TCP此时创建的是欢迎套接字，并非用来传输数据的套接字
接下来TCP需要使用listen（1）函数使服务器始终保持开启状态，而TCP则不需要
在while true里面，TCP需要首先使用欢迎套接字的accept函数创建新的套接字
之后与客户端相似进行数据的接收
- UDP采用的是接收数据变量,服务器地址 = 套接字.recvfrom(2048)
- TCP采用的是接收数据变量 = 套接字.recv(1024)
接下来是发送数据
- UDP使用的是sendto函数，其格式为套接字.sendto(要发送的变量，（服务器姓名，服务器端口）)
- TCP使用的是send函数，其格式为套接字.send(要发送的变量)
- 发送数据时都要将其转化为二进制格式
最后TCP连接需要调用套接字的close函数关闭TCP连接