傳輸層協議、應用層、socket套接字、半連結池

【傳輸層協議TCP/UDP】

PORT協議(埠協議)
    埠號用來(ip+port)：標識一臺計算機上面的某一個應用程式
    埠號的範圍:0-65535
    這是因為傳輸層的協議：TCP、UDP等，它們的報頭埠號長度是16bit所決定的！！ 2的16次方
    埠號特徵:動態分配(類似於洗浴中心號碼牌)
    每一個應用程式都要有一個埠號！！！

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# 建議:
0-1024    系統預設需要使用的埠號，作業系統裡面有一些固定的底層服務需要用的。別使用這些埠號！！
1024-8000    常見軟體的埠號，可能已經被佔掉了，也儘量別用！
8000之後的    以後寫專案推薦使用！！！

軟體在啟動的時候是可以指定埠號的，就是說自己可以去指定用哪個埠號的，常用的已經被指定完了，
不指定一個埠號，就會被計算機動態的分配一個埠號！！！

注意，埠號是不固定的，即可以由使用者手工可以分配（當然，一般在軟體編寫時就已經定義）。
當然，有很多應用軟體有公認的預設的埠，比如FTP：20和21，HTTP：80，TELNET：23等等
一個軟體可以擁有多個埠號，這證明這個軟體擁有不止一個網路功能。

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URL:統一資源定位符(網址)
網址本質是有IP和PORT組成的！！！！

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IP:PORT:能夠定位全世界獨一無二的一臺計算機上面的某一個應用程式
    114.55.205.139:80
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我們之所以不直接使用IP+PORT的原因是太難記 所以發明了域名(網址)
域名解析:將網址解析成IP+PORT

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重點！！！！！！

# TCP與UDP都是用來規定通訊方式的

TCP協議（傳輸控制協議）
    當應用程式希望透過 TCP 與另一個應用程式通訊時，它會傳送一個通訊請求。
    這個請求必須被送到一個確切的地址。在雙方“握手”之後，TCP 將在兩個應用程式之間建立
    一個全雙工 (full-duplex) 的通訊。這個全雙工的通訊將佔用兩個計算機之間的通訊線路，
    直到它被一方或雙方關閉為止。
    tcp協議就是控制資料資料包在傳輸過程中的規範格式
    是一種面向連線的，可靠的，基於位元組流的傳輸層協議。


（Transmission Control Protocol）傳輸控制協議
通俗地說TCP就是對於傳輸、傳送、通訊進行控制的協議。


1.TCP協議(重要)
TCP協議的特點是：面向連線、位元組流、可靠傳輸
TCP的機制具有：校驗機制、可靠、資料傳輸穩定

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# 三次握手:建連結
    1.TCP協議也稱為可靠協議(資料不容易丟失)
        造成資料不容易丟失的原因不是因為有雙向通道，而是因為有反饋機制！！！！！
        給對方發訊息之後會保留一個副本 直到對方回應訊息收到了才會刪除
        否則會在一定的時間內反覆傳送


    2.洪水攻擊
        同一時間有大量的客戶端請求建立連結，會導致服務端一直處於SYN_RCVD狀態！！！！
    3.服務端如何區分客戶端建立連結的請求
        可以對請求做唯一標識
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# 四次揮手:斷連結
    1.四次不能合併為三次
        因為中間需要確認訊息是否發完(TIME_WAIT)

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ps:課下可以深入研究一下TCP圖片上每個狀態的具體情況

需要注意：
TCP協議用於1對1，即不能用於基於廣播和多播的應用程式
TCP連線雙方的收發資料次數不一定相同，即傳送多次的資料包，可能會被對方1次全部接收
TCP在傳送資料包後，必須得到接收方的應答，才認為傳輸成功，所以是可靠的
TCP採用超時重傳機制，超過時間沒收到應答，就會重新傳送。

（三次握手）

三次握手建立通道：建立連結是為了傳資料做準備的，三次握手即可
    1.客戶端傳送syn包---->伺服器
    2.伺服器收到syn包，傳送ack確認包---->客戶端
    3.客戶端收到ack確認包，傳送ack確認包---->伺服器
    三次握手完畢，建立雙向通道

（四次揮手）

   四次揮手斷開通道：斷開連結是為了節省資源做準備的，四次揮手即可
    1.客戶端傳送fin包---->伺服器
    2.伺服器收到fin包，傳送ack確認包---->客戶端
    3.伺服器傳送fin包---->客戶端
    4.客戶端收到fin包，傳送ack確認包---->伺服器
    四次揮手完畢，斷開雙向通道

PS補充：

PS：當服務端大量處於TIME_WAIT狀態時，會導致埠資源耗盡，無法建立新的連結
   基於udp協議通訊：不需要建立雙向通訊的通道
    C<--------------------S
    S<--------------------C
    udp協議：不可靠傳輸，速度快，但是容易丟包

tcp半連結池：（相當於一個等待服務視窗：如網上客服諮詢等待）backlog

【連結請求1，連結請求2，連結請求3.。。】

。

。

。

【應用層】

應用層相當於是程式設計師自己寫的應用程式，裡面的協議非常的多

常見的有:HTTP、HTTPS、FTP

ps:後續框架部分再做介紹

【socket套接字】

socket是網路通訊中的一個抽象概念，它是一個通訊鏈的控制代碼，可以用來實現不同主機之間的程序通訊
　　import socket

如果我們需要編寫基於網路進行資料互動的程式
意味著我們需要自己透過程式碼來控制我們之前所學習的OSI七層(很繁瑣 很複雜 類似於我們自己編寫作業系統)

socket類似於作業系統 封裝了醜陋複雜的介面提供簡單快捷的介面
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理解socket
Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟體抽象層，它是一組介面。在設計模式中，
Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，
一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

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Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket介面後面，對使用者來說，
一組簡單的介面就是全部，讓Socket去組織資料，以符合指定的協議。

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socket也叫套接字
    基於檔案型別的套接字家族(單機)
    AF_UNIX
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    基於網路型別的套接字家族(聯網)
    AF_INET

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在這裡主要學習利用socket完成TCP/IP通訊，首先需要生成兩個物件，
一個是客戶端（client），一個是服務端（sever）。

（工作流程）

（基於tcp協議的簡單套接字）

　　PS：為什麼要先執行服務端，再執行客戶端？
　　　　　　因為客戶端需要連線服務端，所以服務端必須先執行起來，等待客戶端的連線。
　　　　　　而客戶端是主動連線服務端的，所以客戶端可以先執行起來。

服務端

import socket

# 1.買手機
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # AF_INET:表示ipv4,SOCK_STREAM:表示使用tcp協議

# 2.繫結手機卡  ip+埠，如果ip是：0.0.0.0，表示本機的所有ip都可以使用
phone.bind(("127.0.0.1", 8082))  # （繫結的是服務端的id）0-65535，1024以前的被系統保留使用

#  3.開機，監聽狀態
phone.listen(5)  # 5表示半連結池的大小(backlog=5)
print('服務端啟動完成，監聽地址為：%s:%s' % (socket.gethostname(), 8082))

# 4.等待電話連結請求
# conn:表示與客戶端進行通訊的socket,client_addr:表示客戶端的ip和埠
conn, client_addr = phone.accept()
print(conn)
print('客戶端的ip和埠：', client_addr)

# 5.接收訊息\傳送訊息
data = conn.recv(1024)  # 1024表示一次接收1024個位元組
print('客戶端傳送的資料：', data.decode('utf-8'))
conn.send(data.upper())  # 將接收到的資料轉換為大寫，併傳送給客戶端

# 6.關閉連線
conn.close()

# 7.關閉手機(可選操作，可有可無)
phone.close()


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客戶端


import socket


# 1.買手機：AF_INET--地址家族，實現網路通訊  SOCK_STREAM---基於什麼協議：流式協議（tcp）
# SOCK_DGRAM---資料包協議（udp）
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2.撥通服務端電話,傳送連線請求
phone.connect(('127.0.0.1', 8082))  # connect()括號裡是服務端ip和埠號=client_addr

# 3.通訊
phone.send('hello tank 早上好'.encode('utf-8'))

# 4.關閉連線,對應的是服務端的conn
phone.close()

（通訊迴圈--解決Bug）

# 5.接收訊息\傳送訊息
while True:
    try:
        data = conn.recv(1024)  # 1024表示本次接收的最大位元組數,收到的是bytes型別
        if len(data) == 0:
            # 在unix/linux下，一旦data收到的是空，就意味著是一種異常的行為：客戶端非法斷開了連結
            break
        print('客戶端發來的訊息：', data.decode('utf-8'))
        conn.send(data.upper())
    except Exception:
        # 針對windows系統客戶端非法斷開解決辦法
        break

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客戶端

# 3.通訊
# 客戶端如果強行斷開連線，會造成服務端死迴圈
while True:
    msg = input('輸入要傳送的訊息>>:').strip()
    #  輸入空格，不傳送，如果輸入空，客戶端會阻塞
    if len(msg) == 0: continue
    # 退出迴圈
    # if msg == 'quit': break
    # time.sleep(2)
    # phone.send(b.ini'hello')  # phone.send('hello'.encode('utf-8')),必須是bytes型別
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('=====?')  # 驗證什麼造成了阻塞，阻塞在哪裡
    data = phone.recv(1024)  # 上面一行程式碼執行，說明收阻塞了
    print(data.decode('utf-8'))

。

。

（連結迴圈案例）

服務端應該滿足的特點：
　　1.一直提供服務
　　2.併發的提供服務

服務端

import socket

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

# 2.繫結手機卡
phone.bind(("127.0.0.1", 8083))

#  3.開機
phone.listen(5)
print('服務端啟動完成，監聽地址為：%s:%s' % (socket.gethostname(), 8083))

# 4.等待電話連結請求，拿到電話連線conn
# 當上一客戶服務完成，接待下一個客戶的做法：
# 連結迴圈
while True:
    conn, client_addr = phone.accept()
    print('客戶端的ip和埠：', client_addr)

    # 5.接收訊息\傳送訊息
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data) == 0:
                break
            print('客戶端發來的訊息：', data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            # 針對windows系統客戶端非法斷開解決辦法
            break

    # 6.關閉連線
    conn.close()

# 7.關閉手機
phone.close()


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客戶端1：

import socket
import time


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

# 2.撥通服務端電話
phone.connect(('127.0.0.1', 8083))

# 3.通訊迴圈
while True:
    msg = input('輸入要傳送的訊息>>:').strip()
    if len(msg) == 0: continue
    # 退出迴圈
    # if msg == 'quit': break
    # time.sleep(2)
    # phone.send(b.ini'hello')  # phone.send('hello'.encode('utf-8')),必須是bytes型別
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    print('=====?')
    data = phone.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

# 4.關閉連線
phone.close()



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當其中一個客戶端斷開連線，第二個客戶端傳送建立連線請求，服務端能繼續服務

【半連結池】

定義：
半連線池是一個容器或機制，用於儲存和管理在網路通訊中形成的半連線狀態。

背景：
在TCP協議中，建立連線的過程包括三次握手。當客戶端傳送SYN包到伺服器，伺服器響應ACK包並等待客戶端的確認時，這種狀態被稱為半連線狀態。
在高併發的網路環境中，如果短時間內有大量客戶端發起連線請求，伺服器可能會因為處理不過來這些半連線狀態而導致資源耗盡，進而影響服務效能。

工作原理：
當客戶端請求成功被服務端接收後，服務端不會立即對該請求發出響應，而是將這些請求儲存在半連線池中。
只要半連線池沒有滿，客戶端的請求都會進入服務端。如果半連線池已滿，新的請求將被阻攔並顯示等待。
半連線池透過服務端響應最早進入的客戶端請求，達到管理半連線狀態、防止資源耗盡的目的。

作用：
限制同一時間內的客戶端請求數，避免伺服器因處理過多半連線狀態而資源耗盡。
提高伺服器在高併發環境下的穩定性和效能。

相關概念：
SYN洪水攻擊：一種網路攻擊方式，透過不斷產生半連線狀態，讓伺服器無法處理正常請求。
連線池：一種通用的技術，用於提高資源的利用率和系統的效能。除了半連線池外，還有資料庫連線池、執行緒池等。
注意：
半連線池限制的是同一時間的客戶端請求數，而非連線數。
合理地配置半連線池的大小對於伺服器的效能和穩定性至關重要。

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(udp協議套接字)

服務端

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # 資料包協議==》udp協議

server.bind(('127.0.0.1', 8083))

while True:
    data, client_addr = server.recvfrom(1024)
    server.sendto(data.upper(), client_addr)

server.close()


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客戶端

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
while True:
    msg = input('>>:').strip()
    client.sendto(msg.encode('utf-8'), ('127.0.0.1', 8083))
    res = client.recvfrom(1024)
    print(res)

client.close()

（UDP和TCP的區別）

TCP與UDP都是用來規定通訊方式的
區別：
  TCP協議稱之為流式協議、可靠協議(資料不容易丟失)
    面向連線
  UDP協議稱之為資料包協議、不可靠協議
    面向無連線
    
# UDP用在哪裡？
早期的QQ使用的就是純生的UDP協議
現在QQ自己新增了很多技術和功能
  使用UDP的原因就是因為很簡單 快捷 粗暴 只要指定對方的地址就可以發訊息了 而TCP還要建立三握四揮
    
TCP我們可以打比方為打電話 你一句我一句
UDP我們可以看成是發簡訊 只要發了就行 不管對方看不看