網絡與通信

1.TCP協議與UDP協議

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）和 UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）是 TCP/IP 協議族中兩種核心的傳輸層協議，它們在數據傳輸方式、可靠性、適用場景等方面有顯著區別。

1、核心區別對比

特性	TCP	UDP
連接方式	面向連接（需先建立連接）	無連接（直接發送數據）
可靠性	可靠傳輸（保證數據完整、有序到達）	不可靠傳輸（不保證送達，可能丟失）
傳輸效率	較低（需處理確認、重傳等機制）	較高（無額外控制開銷）
數據邊界	無（流式傳輸，需應用層處理邊界）	有（以數據報為單位，一次發送一個完整報文）
擁塞控制	支持（避免網絡擁堵）	不支持
首部開銷	較大（固定 20 字節，可擴展）	較小（固定 8 字節）
適用場景	文件傳輸、網頁瀏覽、郵件等	視頻通話、實時游戲、廣播等

2、TCP 協議詳解

1. 核心特點：面向連接、可靠傳輸

連接建立：通過 “三次握手” 建立連接（類似打電話確認雙方可通信）
- 客戶端發送 SYN（請求連接）
- 服務器回復 SYN+ACK（同意連接）
- 客戶端回復 ACK（確認連接建立）
可靠傳輸機制：
- 序號與確認機制：每個數據包有編號，接收方收到后需返回確認（ACK），未確認則重傳
- 重傳機制：發送方超時未收到確認則重傳數據
- 流量控制：通過滑動窗口限制發送速率，避免接收方緩沖區溢出
- 擁塞控制：根據網絡狀況動態調整發送速率（慢啟動、擁塞避免等算法）
連接終止：通過 “四次揮手” 關閉連接（確保雙方數據都已傳輸完畢）

2. 工作流程示例（文件傳輸）

客戶端向服務器發起連接請求（三次握手）
連接建立后，客戶端分塊發送文件數據
服務器每收到一塊數據就返回確認
若某塊數據丟失，客戶端超時后重傳
所有數據傳輸完成，雙方通過四次揮手關閉連接

3. 優缺點

優點：數據可靠、有序，適合對準確性要求高的場景
缺點：延遲較高（握手、確認等耗時），開銷大

3、UDP 協議詳解

1. 核心特點：無連接、不可靠傳輸

無連接：發送數據前無需建立連接，直接封裝數據并發送（類似郵寄信件）
不可靠：
- 不保證數據送達（無確認機制）
- 不保證順序（數據包可能亂序到達）
- 不處理重傳（丟失數據需應用層自行處理）
數據報傳輸：每個 UDP 報文獨立發送，接收方一次讀取一個完整報文

2. 工作流程示例（視頻通話）

客戶端直接向服務器發送視頻幀數據（無需提前建立連接）
服務器收到數據后直接交給應用層處理
若部分數據包丟失，應用層可選擇忽略（避免卡頓）或請求重傳關鍵幀
通信結束無需 “關閉連接”，直接停止發送即可

3. 優缺點

優點：傳輸速度快、延遲低、開銷小，適合實時性要求高的場景
缺點：數據可能丟失、亂序，需應用層自行處理可靠性

4、適用場景對比

協議	典型應用	選擇原因
TCP	網頁（HTTP/HTTPS）、文件傳輸（FTP）、郵件（SMTP）	需保證數據完整、準確，允許一定延遲
UDP	視頻通話（如 Zoom）、實時游戲、DNS 查詢、廣播	需低延遲，可容忍少量數據丟失

總結:TCP就像打電話,需要先接通,建立聯系,確保雙方能同時接收或發送數據,而UDP更像送快遞,雖然速度快,但是會有數據丟失的風險.

2.IP地址

1.IP地址的概念

IP 地址（Internet Protocol Address，互聯網協議地址）是互聯網中用于唯一標識網絡設備（如計算機、路由器、服務器、手機等）的數字標簽，相當于設備在網絡中的 “門牌號碼”。所有網絡通信（如瀏覽網頁、發送消息、下載文件）都依賴 IP 地址來定位目標設備，確保數據能準確從 “發送方” 傳輸到 “接收方”。

一、核心作用：定位與路由
IP 地址的核心功能可拆解為兩點：
設備標識：在全球或局部網絡中，每個設備的 IP 地址具有唯一性（同一網絡內絕對唯一，全球范圍內通過路由規則確保不沖突），避免數據傳錯目標。
路由指引：數據在網絡中傳輸時，路由器會根據 IP 地址中的 “網絡段” 信息，判斷數據應轉發到哪個子網，最終導向目標設備（類似快遞根據 “省 - 市 - 區” 分層投遞）。
二、IP 地址的兩大版本：IPv4 與 IPv6
目前主流的 IP 地址分為兩個版本，核心差異在于地址長度、容量和格式，本質是為解決 “地址耗盡” 問題（IPv4 地址不夠用）。
對比維度 IPv4（互聯網協議第 4 版） IPv6（互聯網協議第 6 版）
地址長度 32 位（二進制） 128 位（二進制）
地址格式 點分十進制（如?192.168.1.1）冒分十六進制（如?2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）
地址容量 約 42.9 億個（232），已基本耗盡約 3.4×103?個（212?），足夠支撐未來百年
配置方式 需手動配置或 DHCP 自動分配支持自動配置（無狀態地址自動配置 SLAAC）
安全性 無內置安全機制，需依賴 TCP 或應用層（如 SSL）內置 IPsec 協議，原生支持加密和身份驗證
主流程度 目前仍廣泛使用（占比超 90%）逐步推廣（物聯網、5G 場景優先部署）
三、IPv4 地址的結構與分類（重點）
IPv4 是目前最常用的版本，其 32 位地址分為 “網絡位” 和 “主機位” 兩部分：
網絡位：標識設備所屬的 “子網”（類似 “小區地址”）；
主機位：標識子網內的具體設備（類似 “小區內的門牌號”）。
為區分網網絡位，后 8 位是主機位）。
1. IPv4 地址的分類（傳統分類，便于初期管理）
IPv4 根據首段數字（第 1 個十進制數）分為 5 類，其中 A、B、C 類為 “單播地址”（用于單個設備通信絡位和主機位，IPv4 通過子網掩碼（Subnet Mask）?標記（如?255.255.255.0?表示前 24 位是），D 類為 “組播地址”（一對多通信，如視頻會議），E 類為 “保留地址”（未公開使用）。
地址類別首段數字范圍網絡位長度主機位長度適用場景示例
A 類 1~126 8 位 24 位大型網絡（如早期互聯網主干） 10.0.0.1（私有地址）
B 類 128~191 16 位 16 位中型網絡（如企業內網） 172.16.0.1（私有）
C 類 192~223 24 位 8 位小型網絡（如家庭 / 辦公室） 192.168.1.1（私有）
D 類 224~239 -（無分類） - 組播通信 224.0.0.1（所有主機）
E 類 240~255 - - 科研保留無公開示例
2. 特殊 IPv4 地址（需重點記憶）
回環地址（Loopback Address）：127.0.0.1~127.255.255.254，用于設備 “自身測試”（如瀏覽器訪問?127.0.0.1?可測試本地服務器是否正常），數據不會發送到外部網絡。
私有地址（Private Address）：僅用于內網通信，無法直接訪問互聯網（需通過路由器的 NAT 技術轉換為公網 IP），避免公網地址浪費。常見私有地址段：
A 類：10.0.0.0~10.255.255.255
B 類：172.16.0.0~172.31.255.255
C 類：192.168.0.0~192.168.255.255（家庭路由器默認網段多為此類，如?192.168.1.1）
廣播地址（Broadcast Address）：子網內 “所有設備” 的地址（如子網?192.168.1.0/24?的廣播地址是?192.168.1.255），發送到該地址的數據會被子網內所有設備接收。
四、IP 地址的獲取方式
設備不會天生擁有 IP 地址，需通過以下方式獲取：
靜態配置（Static IP）：手動在設備（如服務器、打印機）上設置 IP 地址、子網掩碼、網關等參數，適合需要固定地址的場景（如網站服務器，確保用戶能穩定訪問）。
動態配置（Dynamic IP）：通過DHCP 協議（動態主機配置協議）?自動獲取地址，由路由器或 DHCP 服務器分配臨時 IP（租期通常幾小時到幾天），到期后可重新分配。家庭手機、電腦等設備默認使用此方式，無需手動設置。
五、公網 IP 與內網 IP 的區別
這是實際使用中最易混淆的概念，核心差異在于 “是否能被互聯網直接訪問”：
公網 IP：由運營商（如聯通、電信）分配的 “全球唯一地址”，可直接被互聯網上的其他設備訪問（如網站服務器的 IP?202.108.22.5，任何人都能通過該地址訪問百度）。
內網 IP：僅用于局域網（如家庭 WiFi、公司內網）的私有地址（如?192.168.1.100），無法被互聯網直接訪問。內網設備要訪問互聯網，需通過路由器的NAT 轉換（將內網 IP 轉換為公網 IP），類似 “小區所有住戶共用一個大門牌號”。

對比維度	IPv4（互聯網協議第 4 版）	IPv6（互聯網協議第 6 版）
地址長度	32 位（二進制）	128 位（二進制）
地址格式	點分十進制（如?`192.168.1.1`）	冒分十六進制（如?`2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334`）
地址容量	約 42.9 億個（232），已基本耗盡	約 3.4×103?個（212?），足夠支撐未來百年
配置方式	需手動配置或 DHCP 自動分配	支持自動配置（無狀態地址自動配置 SLAAC）
安全性	無內置安全機制，需依賴 TCP 或應用層（如 SSL）	內置 IPsec 協議，原生支持加密和身份驗證
主流程度	目前仍廣泛使用（占比超 90%）	逐步推廣（物聯網、5G 場景優先部署）

地址類別	首段數字范圍	網絡位長度	主機位長度	適用場景	示例
A 類	1~126	8 位	24 位	大型網絡（如早期互聯網主干）	`10.0.0.1`（私有地址）
B 類	128~191	16 位	16 位	中型網絡（如企業內網）	`172.16.0.1`（私有）
C 類	192~223	24 位	8 位	小型網絡（如家庭 / 辦公室）	`192.168.1.1`（私有）
D 類	224~239	-（無分類）	-	組播通信	`224.0.0.1`（所有主機）
E 類	240~255	-	-	科研保留	無公開示例

總結:

3. socket套接字

在網絡編程中，socket()?函數是創建套接字（Socket）的核心接口，用于初始化一個網絡通信端點.

1. socket () 函數的核心作用
socket()?函數用于創建一個套接字對象，該對象是后續網絡通信（如連接、發送、接收數據）的基礎。調用后會返回一個套接字描述符（或對象引用），后續操作都通過這個描述符進行。
2. socket()函數的四個參數
import socket
# socket.socket 一共四個參數：
# 第一個參數：地址族，AF_INET表示使用IPv4協議，AF_INET6表示使用IPv6協議
# 第二個參數：套接字類型，SOCK_STREAM表示流式套接字，SOCK_DGRAM表示數據報式套接字
# 第三個參數：協議，一般不用設置，默認為0。也可以指定
# 第四個參數：本地地址，一般不用設置，默認為None。
# 第一個參數
# AF_UNIX（Adress Family，即地址族 unix）
# AF_INET（Adress Family，即地址族 internet）
# AF_INET6 用于 IPv6 地址(未來也許會用到)
# AF_BLUETOOTH 用于藍牙地址
# AF_CAN 用于 CAN 總線地址
# 第二個參數
# SOCK_STREAM（Socket Type，即套接字類型，流式套接字）
# SOCK_DGRAM（Socket Type，即套接字類型，數據報式套接字）
# 第三個參數(2種示例)
# TCP（Transmission Control Protocol，即傳輸控制協議）
# SOCK_STREAM（Socket Type，即套接字類型，流式套接字）
# 協議：TCP
_tcp = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM,socket.IPPROTO_TCP)
# UDP（User Datagram Protocol，即用戶數據報協議）
# SOCK_DGRAM（Socket Type，即套接字類型，數據報式套接字）
# 協議：UDP
_udp = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM,socket.IPPROTO_UDP)

4. TCP通信

1.TCP單向通信(一個發一個收)

1.TCP服務器代碼

import socketif __name__ =='__main__':server_socket =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)host ='127.0.0.1'port =8888server_socket.bind((host,port))server_socket.listen(5)client_socket,arrr =server_socket.accept()while True:data = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')print(f"Receive from client: {data}")if data =="exit":message =="exit"client_socket.send(message.encode('utf-8'))breakelif data =="?":message ="你在?什么"client_socket.send(message.encode('utf-8'))else:client_socket.send('0'.encode('utf-8'))client_socket.close()server_socket.close()print("Server has stopped")

2. TCP客戶端代碼

import socketif __name__ =='__main__':client_socket =socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)host ="127.0.0.1"port =8888client_socket.connect((host,port))while True:message =input("請輸入:")client_socket.sendall(message.encode('utf-8'))mag =client_socket.recv(1024)if mag != b'0':print('對方發送的信息:',mag.decode('utf-8'))if message=="exit":breakclient_socket.close()

代碼解析:

我們這里需要開兩個不同的終端,保證兩個終端能夠建立起鏈接,這里兩個終端各自有自己的任務

服務器：啟動后監聽本地 8888 端口，等待客戶端連接。連接建立后，接收客戶端發送的消息，并根據消息內容做出響應：
- 收到 "exit" 時，斷開連接并停止服務
- 收到 "?" 時，回復 "你在？什么"
- 收到其他消息時，回復 "0"
客戶端：連接到服務器后，可循環輸入消息發送給服務器，同時接收服務器的響應，輸入 "exit" 時斷開連接

2.TCP雙向通信(可以互相發送和接收)
注意:如果要實現雙向通信是需要用到多線程的

1.TCP服務端代碼

'''
1, 并發通信,實現多個客戶端連接服務器
2, 實現全雙工通信,服務端與客戶端可以同時接收發數據
'''
import os
import signal
import socket
import threadingdef handle_signal(signum, frame):print('received signal {}'.format(signum))exit(0)#接收線程
def recv_data(socket):while True:recv_buffer = socket.recv(1024).decode('utf-8')if not recv_buffer:print('client is quit!')print(f'recv data from client: {recv_buffer}')if recv_buffer == 'exit':print('received exit from client')break#發送線程
def send_data(socket):while True:message = input('please input your message:')socket.send(message.encode('utf-8'))if message == 'exit':os.kill(os.getpid(), signal.SIGTERM)if __name__ == '__main__':#1, 創建socketserver_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)#2, 綁定端口host = socket.gethostname()port = 5002server_socket.bind((host, port))#3, 監聽server_socket.listen(5)print('server is starting....., waiting for a connection')#4, 接收客戶端連接client_socket, addr = server_socket.accept()print('Got connection from', addr)#4, 創建2個線程實現與客戶端通信recv_thread = threading.Thread(target=recv_data,args=(client_socket,))send_thread = threading.Thread(target=send_data,args=(client_socket,))recv_thread.start()send_thread.start()# 4, 注冊一個信號signal.signal(signal.SIGTERM, handle_signal)#5, 等待線程結束recv_thread.join()send_thread.join()#6, 關閉套接字server_socket.close()client_socket.close()

2.TCP客戶端代碼

'''
客戶端
'''
import os
import socket
import threading
import signal#1, 接收線程
def recv_data(socket):while True:recv_buffer = socket.recv(1024).decode('utf-8')if not recv_buffer:print('server is quit!')breakprint(f'recv data from server {recv_buffer}')if recv_buffer == 'exit':print('received exit from server')# 終止進程os.kill(os.getpid(), signal.SIGTERM)#2, 發送線程
def send_data(socket):global recv_thread_flagwhile True:send_buffer = input('please input your data: ')socket.send(send_buffer.encode('utf-8'))if send_buffer == 'exit':#終止進程os.kill(os.getpid(), signal.SIGTERM)def handle_signal(signum, frame):print('received signal {}'.format(signum))exit(0)if __name__ == '__main__':#1, 創建socketclient_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)#2, 建立連接host = '127.0.0.1'port = 5002client_socket.connect((host, port))#3, 創建2個線程實現與server端通信recv_thread = threading.Thread(target=recv_data,args=(client_socket,))send_thread = threading.Thread(target=send_data,args=(client_socket,))#4, 注冊一個信號signal.signal(signal.SIGTERM,handle_signal)#4, 等待線程結束recv_thread.start()send_thread.start()#5, 關閉socketrecv_thread.join()send_thread.join()#6, 關閉套接字client_socket.close()

代碼解析:
我們這里需要開兩個不同的終端,保證兩個終端能夠建立起鏈接,這里兩個終端各自有自己的任務,與上面相比就是多了線程的部分,然后要實現不同設備之間的通信也是如此,還需要修改IP地址即可建立連接,如果使用公網的情況下,可能會造成無法連接的情況,這個時候我們可以讓兩個設備鏈接到同一個手機熱點上,再綁定IP地址.