Python ソケットプログラミング (53)

こんにちは、子供たち、こんにちは大きな友達！

Pythonプログラミングにハマった小学生の猫娘です。

猫娘と一緒にPythonを学び、一緒にプログラミングを学びましょう。

今日のテーマ

現在は、ネットワークプログラミングの入門知識を中心に、多くのコンテンツが提供されています。

この知識はインターネットの発展において非常に重要です。

OSI 7層モデルとTCP/IP 4層モデル

IPアドレスとポート

TCP/UDP

ソケット

Python は TCP サーバークライアントを実装します

Python は UDP サーバークライアントを実装します

OSI 7層モデルとTCP/IP 4層モデル

OSI 7 層モデルと TCP/IP 4 層モデルはインターネット通信の基礎であり、私たちが快適にインターネットサーフィンできるのは最下位層にあります。

彼らは底で黙々と働いており、私たちにはその存在を感じさせないようです。実際、基礎となる層の設計と実装には、多くの人類の知恵が結集されています。

OSI 7 層モデルと TCP/IP 4 層モデルはどちらも、ネットワーク通信で一般的に使用される層状アーキテクチャです。

OSI 7 層モデルはより詳細で、より多くの機能と詳細をカバーしていますが、TCP/IP 4 層モデルはより簡潔で、理解と適用が容易です。

それぞれについて簡単に説明します。

OSI 7 層モデル:

OSI (Open Systems Interconnection) は、ネットワーク通信プロトコルスタックを定義する国際標準です。ネットワーク通信を 7 つの層に分割し、それぞれに特定の機能とタスクを割り当てます。最下層から最上層へは、物理層、データリンク層、ネットワーク層、トランスポート層、セッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層となります。

* 物理層: 物理メディア上のビットストリームの送信を担当し、主にハードウェアインターフェイスと信号送信に関与します。

* データリンク層: 隣接するノード間で信頼性の高いデータ伝送パスを確立し、データのグループ化とエラー検出を実現します。

* ネットワーク層: エンドツーエンド接続を実現するために、送信元ノードから宛先ノードにデータパケットを送信する役割を果たします。

* トランスポート層: データ送信中のフロー制御、エラー回復、データ再編成の制御と管理を担当します。

* セッション層: アプリケーション間のセッションの確立、管理、終了を担当します。

※プレゼンテーション層：データ形式の変換、暗号化・復号化などを担当します。

* アプリケーション層: 電子メール、ファイル転送、リモートログインなどのさまざまなネットワークアプリケーションサービスをユーザーに提供する役割を担います。

TCP/IP 4 層モデル:

TCP/IP (伝送制御プロトコル/インターネットプロトコル) は、インターネットで広く使用されている階層型アーキテクチャです。ネットワーク通信を 4 つの層に分割し、それぞれに特定の機能とタスクを割り当てます。最下層から最上層へは、ネットワークインターフェイス層、インターネット層、トランスポート層、アプリケーション層となります。

* ネットワークインターフェイス層: データパケットの物理媒体 (イーサネット、Wi-Fi など)、およびアドレスやルーティングなどの問題を処理する責任があります。

* インターネット層: 異なるネットワーク間の論理接続を確立し、エンドツーエンドのデータ伝送を実現します。

* トランスポート層: データ送信中のフロー制御、エラー回復、データ再編成の制御と管理を担当します。

IPアドレスとポート

インターネットをサーフィンしたい場合、2 つのことが切り離すことはできません。1 つは IP アドレス、もう 1 つはポートです。

IP アドレスとポートはネットワーク通信における 2 つの重要な概念であり、インターネット上のデバイスまたはアプリケーションサービスを一意に識別するために一緒に使用されます。

IP アドレスはパケットヘッダー内の送信元デバイスのアドレスを示すために使用され、ポート番号はネットワーク上のアプリケーションサービスを一意に識別するために使用されます。

IP アドレスは、インターネットに接続されているコンピュータを一意に識別します。

IP (インターネットプロトコル) アドレスは、インターネット上のデバイスを一意に識別するために使用される 32 ビットの 2 進数です。

IP アドレスは、IPv4 と IPv6 の 2 つの形式に分類されます。

IPv4 アドレスは通常、ドット付き 10 進表記 (192.0.2.1 など) ですが、IPv6 アドレスはコロンで区切られた 128 ビットの 16 進数 (2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 など) です。

IP アドレスは、受信側がデータパケットをターゲットデバイスに正しく送信できるように、データパケットヘッダー内のソースデバイスのアドレスを示すために使用されます。

IP アドレスを持つだけでは十分ではなく、コンピュータには多くのアプリケーションがあり、アプリケーションを区別するためにポートが使用されます。

ポートは、ネットワーク通信におけるデバイス間の通信のための論理インターフェイスです。

値は 0 ～ 65535 で、0 ～ 1023 はシステムによって占有され、その他のポートはアプリケーションプログラムによってランダムに割り当てられます。

各アプリケーションは、独自の通信サービスを識別するために一意のポート番号を使用します。

一般的なポート番号は、80 (HTTP)、21 (FTP)、25 (SMTP)、3306 (MySQL) などです。

TCPとUDP

TCP と UDP は、TCP/IP 4 層モデルのトランスポート層に位置します。

TCP (伝送制御プロトコル) の機能:

高い信頼性: TCP は接続指向のプロトコルであり、信頼性の高い接続を確立することでデータ送信の信頼性を保証します。転送中にパケットが失われたり破損したりすると、TCP はデータが完全に受信されるまで再送信します。

フロー制御: TCP は、スライディングウィンドウメカニズムを使用してデータの送信速度を制御し、ネットワークの輻輳を回避します。送信側は受信側のバッファリング状況に応じて送信レートを動的に調整します。

秩序ある: TCP はデータパケットの順序と整合性を保証し、受信側が正しい順序でデータを受信できるようにします。

適用可能なシナリオ: TCP は、ファイル転送、電子メールなど、信頼性の高いデータ送信を必要とするアプリケーションシナリオに適しています。

UDP の機能:

高い信頼性: UDP はコネクションレス型プロトコルであるため、データ送信の信頼性は保証されません。送信中にデータパケットが失われたり破損したりした場合、UDP はそれを再送信せず、直接破棄します。

高速性: UDP には複雑な制御プロセスがないため、伝送速度が速く、遅延が低くなります。

障害: UDP はデータパケットの順序と完全性を保証しないため、受信機は順序が崩れたデータパケットを受信する可能性があります。

適用可能なシナリオ: UDP は、ビデオストリーミング、オンラインゲームなど、高いリアルタイムパフォーマンスが必要で、信頼性の高いデータ送信を必要としないアプリケーションシナリオに適しています。

TCP は電話をかけるようなもので、通話するには相手がオンラインである必要があります。

UDP は手紙を書くようなもので、ただ書いて直接送信するだけです。

メリット・デメリットはなく、それぞれにメリットがあります。

ソケット

TCP/UDP は、アプリケーション開発を容易にするために非常に複雑です。

アプリケーション層と TCP/UDP の間にはソケットと呼ばれる層があります。

ソケット（socket）とは、コンピュータネットワークプログラミングにおける通信機構の一つで、異なるコンピュータ間でのデータ伝送を実現するために使用されます。

簡単に言うと、ソケットはネットワーク接続を確立するための抽象インターフェイスであり、これによりプログラマーはネットワークプロトコルを通じてデータを送信できます。

ネットワークプログラミングでは、ソケットは通常、クライアントとサーバーの 2 つの部分で構成されます。

クライアントはデータをサーバーに送信し、サーバーはデータを受信して処理します。

ソケット通信は、TCP (伝送制御プロトコル) または UDP (ユーザーデータグラムプロトコル) という 2 つの異なるプロトコルに基づくことができます。

Socket を使用したネットワークプログラミングには次の手順が必要です。

1. Socket オブジェクトを作成します。まず、Socket オブジェクトを作成し、使用するプロトコルタイプを指定する必要があります。

2. ソケットのバインド: クライアントがサーバーを見つけられるように、特定の IP アドレスとポート番号を使用してソケットをバインドします。

3. ソケットの接続: クライアントがサーバーと通信したい場合は、接続を確立する必要があります。これは、Socket オブジェクトの connect() メソッドを呼び出すことで実現できます。

4. データの送受信: 接続が正常に確立されたら、Socket オブジェクトの send() メソッドと recv() メソッドを使用してデータを送受信できます。

5. ソケットを閉じる: 通信が完了したら、リソースを解放するためにソケットオブジェクトを閉じる必要があります。

つまり、ソケットはネットワークプログラミングにおいて非常に重要な概念であり、プログラマが異なるコンピュータ間のデータ送信を簡単に実現できるようにする、汎用のクロスプラットフォーム通信メカニズムを提供します。

Python は TCP サーバークライアントを実装します

TCP クライアントサーバー対話フローチャート:

ソケットキー機能の紹介:

関数	説明
ソケット（）	ソケットクラスオブジェクトを取得する
バインド((ホスト名, ポート))	指定したホストのポートにバインドしてリッスンします
聞く（）	バインドされたポートの監視を有効にします。パラメータは、確立を待機している接続の最大数を示します。
受け入れる（）	クライアントが接続するのを待ち、接続後にクライアントアドレスを返します。
データを送る）	データを送信します。データはバイナリデータです
受信(バッファ)	受信したデータを示します。バッファサイズは各受信データの長さです
近い（）	ソケット接続を閉じる
connect((ホスト名, ポート))	接続するホスト名とポート番号を設定します。