Python--网络编程（下）

五、OSI 七层模型

1. 模型分层与功能
   层级	名称	核心功能
   7	应用层	定义数据格式（如 HTTP 协议）
   6	表示层	数据编码/解码、加密/解密（如 UTF-8 编码）
   5	会话层	建立、维护、终止会话（如 TCP 三次握手）
   4	传输层	端到端通信，确保数据完整性（如 TCP/UDP 协议）
   3	网络层	IP 寻址和路由（如路由器处理 IP 包）
   2	数据链路层	MAC 地址寻址，数据帧封装（如交换机处理 MAC 地址）
   1	物理层	物理介质传输二进制数据（如网线传输电信号）

2. 数据传输流程示例

   • 用户访问网页：

     1. 应用层生成 HTTP 请求：GET /s?wd=你好 HTTP/1.1​
     2. 表示层编码为字节流：...encode('utf-8')​
     3. 传输层添加端口信息（目标端口 80，本地端口随机）
     4. 网络层添加源/目标 IP 地址
     5. 数据链路层封装 MAC 地址
     6. 物理层通过网卡发送数据

3. 实际开发中的体现

   • 开发者关注层：应用层（HTTP）、传输层（TCP/UDP）
   • 底层自动处理：网络层以下由操作系统和网络设备完成

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六、TCP 与 UDP 协议

1. 核心对比
   特性	TCP	UDP
   连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
   可靠性	可靠传输（ACK 确认、重传机制）	尽最大努力交付，不保证可靠性
   速度	较慢（需建立连接和确认）	极快（无连接开销）
   应用场景	文件传输、网页访问	实时视频、语音通话

2. TCP 三次握手与四次挥手

   • 三次握手（建立连接）：

     客户端 --> SYN=1, seq=x --> 服务端  
     服务端 --> SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 --> 客户端  
     客户端 --> ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 --> 服务端  
     

   • 四次挥手（断开连接）：

     客户端 --> FIN=1 --> 服务端  
     服务端 --> ACK=1 --> 客户端  
     服务端 --> FIN=1 --> 客户端  
     客户端 --> ACK=1 --> 服务端  
     

3. 代码示例

   • TCP 服务端：

     sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
     sock.bind(('127.0.0.1', 8001))
     sock.listen(5)  # 监听连接
     conn, addr = sock.accept()  # 阻塞等待客户端连接
     

   • UDP 服务端：

     server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
     server.bind(('127.0.0.1', 8002))
     data, addr = server.recvfrom(1024)  # 直接接收数据
     

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七、粘包问题与解决方案

1. 粘包原因

   • 发送方多次快速发送小数据包，接收方缓冲区合并读取
   • 网络传输中数据分片重组

2. 解决方案

   • 定长头部法：

     1. 发送数据前附加固定长度头部（如 4 字节），标明数据长度
     2. 接收方先读头部，再按长度读取完整数据

     # 发送端
     header = struct.pack('i', len(data))  # 4字节头部
     conn.sendall(header + data)
     
     # 接收端
     header = conn.recv(4)
     data_length = struct.unpack('i', header)[0]
     data = conn.recv(data_length)
     

3. 优化策略

   • 动态调整缓冲区大小
   • 使用消息队列分隔数据包

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八、阻塞与非阻塞模式

1. 阻塞模式

   • 特点：accept()​、recv()​、connect()​ 会阻塞线程直到操作完成
   • 适用场景：简单客户端/服务端，无需高并发

2. 非阻塞模式

   • 启用方法：

     sock.setblocking(False)  # 设置为非阻塞
     

   • 异常处理：操作未完成时抛出 BlockingIOError​，需配合重试机制

   • 适用场景：高并发场景，需结合 IO 多路复用

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九、IO 多路复用

1. 核心机制

   • select：遍历监控的文件描述符，返回就绪的 IO 对象
   • poll：与 select 类似，但无最大文件数限制
   • epoll：基于事件回调，高效处理大量连接（Linux 专属）

2. 代码示例（select 实现多客户端处理）

   inputs = [server_socket]
   while True:
       r, _, _ = select.select(inputs, [], [], 0.1)
       for sock in r:
           if sock == server_socket:
               conn, addr = sock.accept()
               inputs.append(conn)
           else:
               data = sock.recv(1024)
               if data:
                   print(f"Received: {data.decode()}")
               else:
                   inputs.remove(sock)
   

3. 适用场景

   • 服务端需同时处理数千连接
   • 客户端需批量发送请求（如爬虫并发下载）