網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)(西電課件)第1章網(wǎng)絡(luò)編程概述網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)知識(shí)套接字編程基礎(chǔ)基于TCP的套接字編程基于UDP的套接字編程網(wǎng)絡(luò)編程中的并發(fā)處理網(wǎng)絡(luò)編程概述01定義網(wǎng)絡(luò)編程是指通過編程語言和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)交換的過程。重要性隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)編程已成為軟件開發(fā)領(lǐng)域不可或缺的一部分。它使得人們能夠利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞、共享和處理，極大地促進(jìn)了社會(huì)的信息化進(jìn)程。網(wǎng)絡(luò)編程的定義與重要性早期的網(wǎng)絡(luò)編程01早期的網(wǎng)絡(luò)編程主要基于底層的套接字（Socket）編程接口，需要開發(fā)人員處理底層的網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié)，如連接管理、數(shù)據(jù)傳輸和錯(cuò)誤處理等。高級(jí)網(wǎng)絡(luò)編程框架的出現(xiàn)02隨著網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)編程框架和庫，如TCP/IP協(xié)議棧、HTTP協(xié)議等，這些框架和庫封裝了底層的網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié)，使得開發(fā)人員能夠更專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。異步網(wǎng)絡(luò)編程的興起03近年來，隨著異步編程技術(shù)的發(fā)展，異步網(wǎng)絡(luò)編程也逐漸成為主流。異步網(wǎng)絡(luò)編程能夠提高程序的響應(yīng)性能和并發(fā)能力，使得開發(fā)人員能夠處理更多的網(wǎng)絡(luò)連接和請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)編程的發(fā)展歷程網(wǎng)絡(luò)編程的應(yīng)用領(lǐng)域Web開發(fā)：Web開發(fā)是網(wǎng)絡(luò)編程的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。開發(fā)人員可以使用各種Web開發(fā)框架和技術(shù)，如Django、Flask、Node.js等，實(shí)現(xiàn)Web應(yīng)用程序的開發(fā)和部署。移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)：移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)也是網(wǎng)絡(luò)編程的重要應(yīng)用領(lǐng)域。開發(fā)人員可以使用各種移動(dòng)開發(fā)框架和技術(shù)，如ReactNative、Flutter等，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的移動(dòng)應(yīng)用程序的開發(fā)和部署。分布式系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)是由多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和協(xié)作。網(wǎng)絡(luò)編程在分布式系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信、數(shù)據(jù)同步和分布式計(jì)算等功能。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理：云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理是當(dāng)前熱門的技術(shù)領(lǐng)域之一。網(wǎng)絡(luò)編程在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮著重要作用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和處理等功能。開發(fā)人員可以使用各種云計(jì)算平臺(tái)和大數(shù)據(jù)處理框架，如AWS、Azure、Hadoop等，進(jìn)行云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)知識(shí)02計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的計(jì)算機(jī)互聯(lián)而成的系統(tǒng)，這些計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)交換信息、共享資源。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義從ARPANET到Internet，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、從單一數(shù)據(jù)通信到多媒體通信的發(fā)展歷程。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、傳輸技術(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述TCP/IP協(xié)議族的定義TCP/IP協(xié)議族是一組網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的集合，包括TCP、UDP、IP、ICMP、ARP等協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)之間的通信。TCP/IP協(xié)議族的分層結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議族采用分層結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。每層都提供特定的服務(wù)，并通過接口與上下層通信。TCP/IP協(xié)議族中的主要協(xié)議TCP（傳輸控制協(xié)議）提供可靠的、面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）提供無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)上路由和傳輸數(shù)據(jù)。010203TCP/IP協(xié)議族常見的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)DNS（域名系統(tǒng)）用于將域名解析為IP地址；DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）用于動(dòng)態(tài)分配IP地址；FTP（文件傳輸協(xié)議）用于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸文件。常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用Web瀏覽器用于瀏覽網(wǎng)頁；電子郵件客戶端用于收發(fā)電子郵件；即時(shí)通訊軟件用于實(shí)時(shí)交流和信息共享。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用的開發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用通?；谔囟ǖ木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)，例如HTTP協(xié)議用于Web服務(wù)，SMTP、POP3和IMAP協(xié)議用于電子郵件服務(wù)。開發(fā)人員需要了解這些協(xié)議的原理和細(xì)節(jié)，才能開發(fā)出高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用。常見的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用套接字編程基礎(chǔ)030102套接字的概念套接字（Socket）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用于實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)間進(jìn)程通信的端點(diǎn)。它提供了一種通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式，使得不同操作系統(tǒng)和編程語言之間可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。套接字的分類根據(jù)通信性質(zhì)的不同，套接字可分為以下三種類型流套接字（Stream…提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會(huì)丟失或亂序。數(shù)據(jù)報(bào)套接字（Data…提供無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)以獨(dú)立的報(bào)文形式進(jìn)行傳輸，可能會(huì)丟失或亂序。原始套接字（RawS…允許直接操作底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供更為靈活和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，但同時(shí)也更為復(fù)雜。030405套接字的概念與分類創(chuàng)建套接字使用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新的套接字，并指定其類型（如流套接字、數(shù)據(jù)報(bào)套接字等）。將創(chuàng)建的套接字綁定到一個(gè)本地地址和端口號(hào)，以便其他主機(jī)可以通過該地址和端口號(hào)與本機(jī)進(jìn)行通信。對(duì)于流套接字，需要在通信雙方之間建立連接。一方作為客戶端主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求，另一方作為服務(wù)器等待并接受連接請(qǐng)求。一旦連接建立成功，雙方就可以通過套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)可以以字節(jié)流或數(shù)據(jù)報(bào)的形式進(jìn)行發(fā)送和接收。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，需要關(guān)閉套接字以釋放相關(guān)資源。綁定地址數(shù)據(jù)傳輸關(guān)閉套接字建立連接套接字編程的基本步驟以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的基于TCP協(xié)議的套接字編程示例代碼（Python語言）套接字編程的示例代碼```pythonimportsocketsock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)套接字編程的示例代碼server_address=('localhost',10000)sock.bind(server_address)套接字編程的示例代碼sock.listen(1)接受連接請(qǐng)求并返回新的套接字和客戶端地址whileTrue套接字編程的示例代碼connection,client_address=sock.accept()套接字編程的示例代碼套接字編程的示例代碼010203print('連接來自：',client_address)接收數(shù)據(jù)并發(fā)送響應(yīng)try套接字編程的示例代碼01data=connection.recv(1024)02print('收到數(shù)據(jù)：',data)connection.sendall(data)03010203finally關(guān)閉連接connection.close()套接字編程的示例代碼```該示例代碼創(chuàng)建了一個(gè)TCP/IP套接字，并綁定到本地地址和端口號(hào)上。然后它開始監(jiān)聽連接請(qǐng)求，并在接收到連接請(qǐng)求后創(chuàng)建一個(gè)新的套接字與客戶端進(jìn)行通信。在通信過程中，它接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送響應(yīng)，最后關(guān)閉連接。套接字編程的示例代碼基于TCP的套接字編程040102面向連接TCP協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)前需要建立連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｗ止?jié)流服務(wù)TCP將應(yīng)用層傳下來的報(bào)文看成字節(jié)流，將字節(jié)流組織成大小不等的數(shù)據(jù)塊?？煽總鬏擳CP采用發(fā)送應(yīng)答機(jī)制、超時(shí)重傳、擁塞控制等機(jī)制確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。全雙工通信TCP允許通信雙方的應(yīng)用進(jìn)程在任何時(shí)候都能發(fā)送數(shù)據(jù)。工作流程TCP連接建立過程包括“三次握手”，即SYN、SYN+ACK和ACK三個(gè)報(bào)文段的交換；連接釋放過程包括“四次揮手”，即FIN、ACK、FIN和ACK四個(gè)報(bào)文段的交換。030405TCP協(xié)議的特點(diǎn)與工作流程創(chuàng)建套接字使用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字，并指定地址族和套接字類型。綁定地址使用bind函數(shù)將套接字綁定到一個(gè)本地地址和端口號(hào)。監(jiān)聽連接使用listen函數(shù)將套接字設(shè)置為監(jiān)聽狀態(tài)，等待客戶端的連接請(qǐng)求。接受連接使用accept函數(shù)接受客戶端的連接請(qǐng)求，并返回一個(gè)新的套接字用于與客戶端通信。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)使用send和recv函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。關(guān)閉套接字使用close函數(shù)關(guān)閉套接字，釋放相關(guān)資源。基于TCP的套接字編程的基本步驟以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的基于TCP的套接字編程示例代碼，包括服務(wù)器端和客戶端兩部分基于TCP的套接字編程的示例代碼基于TCP的套接字編程的示例代碼服務(wù)器端代碼```pythonimportsocket基于TCP的套接字編程的示例代碼server_socket.bind(('localhost',8000))基于TCP的套接字編程的示例代碼基于TCP的套接字編程的示例代碼server_socket.listen(1)print('Serverislistening...')03print(f'Clientconnected:{client_address}')01whileTrue02client_socket,client_address=server_socket.accept()基于TCP的套接字編程的示例代碼基于TCP的套接字編程的示例代碼01data=client_socket.recv(1024)02print(f'Receiveddata:{data.decode()}')03client_socket.send('Datareceived.'.encode())基于TCP的套接字編程的示例代碼client_socket.close()基于TCP的套接字編程的示例代碼```02客戶端代碼03```python01VSimportsocketclient_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)基于TCP的套接字編程的示例代碼client_socket.send('Hello,server!'.encode())data=client_socket.recv(1024)client_socket.connect(('localhost',8000))基于TCP的套接字編程的示例代碼基于TCP的套接字編程的示例代碼print(f'Receivedresponse:{data.decode()}')client_socket.close()```基于TCP的套接字編程的示例代碼基于UDP的套接字編程05面向報(bào)文發(fā)送方的UDP對(duì)應(yīng)用程序交下來的報(bào)文，在添加首部后就向下交付IP層。無連接發(fā)送數(shù)據(jù)前不需要建立連接，減少開銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時(shí)延。盡最大努力交付不保證可靠交付，主機(jī)不需要維持復(fù)雜的連接狀態(tài)表。無擁塞控制網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會(huì)使源主機(jī)的發(fā)送速率降低，對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用很有利。首部開銷小只有8個(gè)字節(jié)，比TCP的20個(gè)字節(jié)的首部要短。UDP協(xié)議的特點(diǎn)與工作流程關(guān)閉套接字使用close函數(shù)關(guān)閉套接字，釋放相關(guān)資源。接收數(shù)據(jù)使用recvfrom函數(shù)接收來自任何地址的數(shù)據(jù)，并獲取發(fā)送方的地址信息。發(fā)送數(shù)據(jù)使用sendto函數(shù)向指定的目標(biāo)地址和端口號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)。創(chuàng)建套接字使用socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字，并指定使用UDP協(xié)議。綁定地址使用bind函數(shù)將套接字綁定到一個(gè)本地地址和端口號(hào)上?；赨DP的套接字編程的基本步驟123服務(wù)器端代碼示例```pythonimportsocket基于UDP的套接字編程的示例代碼基于UDP的套接字編程的示例代碼server_address=('localhost',8000)server_socket.bind(server_address)print('服務(wù)器已啟動(dòng)，等待客戶端連接...')010203基于UDP的套接字編程的示例代碼基于UDP的套接字編程的示例代碼030201whileTrue接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)data,client_address=server_socket.recvfrom(1024)print(f'收到來自{client_address}的數(shù)據(jù)：{data.decode()}')基于UDP的套接字編程的示例代碼向客戶端發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)response='已收到你的消息'server_socket.sendto(response.encode(),client_address)010203基于UDP的套接字編程的示例代碼基于UDP的套接字編程的示例代碼010203```客戶端代碼示例```pythonimportsocketclient_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)基于UDP的套接字編程的示例代碼基于UDP的套接字編程的示例代碼server_address=('localhost',8000)message='你好，服務(wù)器！'client_socket.sendto(message.encode(),server_address)data,server=client_socket.recvfrom(1024)print(f'收到服務(wù)器的響應(yīng)：{data.decode()}')```基于UDP的套接字編程的示例代碼網(wǎng)絡(luò)編程中的并發(fā)處理06并發(fā)處理的概念與必要性并發(fā)處理的概念指在同一時(shí)間段內(nèi)，處理多個(gè)任務(wù)或事件的能力，這些任務(wù)或事件可以是并行的，也可以是交替進(jìn)行的。提高系統(tǒng)資源利用率通過并發(fā)處理，可以充分利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)速度。滿足用戶需求在網(wǎng)絡(luò)編程中，用戶可能同時(shí)發(fā)起多個(gè)請(qǐng)求，通過并發(fā)處理可以及時(shí)處理這些請(qǐng)求，提升用戶體驗(yàn)。適應(yīng)分布式系統(tǒng)在分布式系統(tǒng)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要協(xié)同工作，通過并發(fā)處理可以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性。多線程編程技術(shù)線程的概念：線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。線程間可以共享進(jìn)程的資源，包括內(nèi)存空間、文件句柄等，從而減少了資源占用。多線程可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，提高程序的執(zhí)行效率。共享資源并發(fā)執(zhí)行多線程編程技術(shù)多線程編程技術(shù)簡(jiǎn)化編程模型：相對(duì)于多進(jìn)程編程，多線程編程模型更為簡(jiǎn)單