Fortgeschrittene Python-Konzepte – Vernetzung mit Python

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ihr Gerät über das Internet verbunden ist? Oder wie es dem Unternehmen gelingt, Informationen über Regionen hinweg auszutauschen nahtlos? All dies wird durch den Einsatz von Computernetzwerken als Teil der Geschäftsstrategie erreicht. Es ermöglicht uns, über das Internet zwischen verschiedenen Anwendungen und Geräten im Netzwerk zu kommunizieren, zusammenzuarbeiten und Ressourcen gemeinsam zu nutzen. Dank der Integration von Netzwerken mit Softwareanwendungen und verschiedenen anderen Technologien können Sie jetzt mit nur einem Klick Kontakt zu Ihren Freunden oder anderen Personen aufnehmen oder Dinge mit ihnen teilen. In Python ist Vernetzung ein grundlegendes Konzept, das die Interaktion zwischen Geräten und externen Ressourcen ermöglicht. Python enthält viele integrierte Module, die Netzwerkfunktionen unterstützen, z. B. „Socket“ für allgemeine Netzwerke und „Requests“ für HTTP-Kommunikation.
Daher werden wir in diesem Artikel das Networking von seinen Grundkonzepten bis hin zu fortgeschrittenen Konzepten in Python anhand praktischer Beispiele besprechen.

Einführung in Netzwerkkonzepte

1. Vernetzung und ihre Bedeutung in verteilten Systemen

Bei der Vernetzung geht es darum, mehrere Computer und Geräte über Kabel oder drahtlose Netzwerke zu verbinden, um Daten auszutauschen und Ressourcen über das Internet zu teilen. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen mehreren Geräten. Wie wir wissen, handelt es sich bei verteilten Systemen um Systeme, in denen eine große Anzahl von Clients, Hardwaregeräten und Prozessen miteinander verbunden sind, um Ressourcen gemeinsam zu nutzen und zu kommunizieren. Daher sind Vernetzung und verteilte Systeme erheblich miteinander verbunden. Sie stellen die Infrastruktur bereit, die die Speicherung, die gemeinsame Nutzung von Ressourcen und die elektronische Kommunikation erleichtert, um die Effizienz und Produktivität des Systems zu steigern.

2. Wichtige Networking-Konzepte

Einige wichtige Networking-Konzepte, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, sind wie folgt:

2.1. IP-Adresse

Eine IP-Adresse identifiziert Ihr Gerät eindeutig in einem Netzwerk. Wenn Sie ein Gerät haben, das eine Verbindung zum Internet herstellt, muss es über eine IP-Adresse verfügen. IP steht für Internetprotokoll. Dabei handelt es sich um eine eindeutige Nummer oder eine Kennung für den Computer oder das Gerät im Netzwerk. Jedes Gerät hätte eine eindeutige Nummer, die es von den anderen Geräten im Netzwerk unterscheidet. Zum Beispiel:

IPv4: 32-bit address: 192.168.1.1 
IPv6: 128-bit address: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 

Hinweis:

Eine IP-Adresse ist eine eindeutige, durch Punkte getrennte Zahlenfolge, die jeden Computer identifiziert, der das Internetprotokoll zur Kommunikation über ein Netzwerk verwendet.

2.2. Hafen

Ein Port ist eine numerische Kennung, die in Netzwerken verwendet wird, um einen bestimmten Dienst oder Prozess auf einem Gerät anzugeben. Im Gegensatz zu einer IP-Adresse, die den Standort eines Geräts in einem Netzwerk identifiziert, ermöglichen Ports die gleichzeitige Ausführung mehrerer Dienste auf demselben Gerät. Es stellt sicher, dass die Daten an die richtige Anwendung oder den richtigen Prozess weitergeleitet werden. Diese Ports liegen im Bereich von 0 bis 65535, wobei bestimmte Skalierungen für bestimmte Protokolle reserviert sind. Zum Beispiel:

IPv4: 32-bit address: 192.168.1.1 
IPv6: 128-bit address: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 

2.3. Protokoll

Ein Netzwerkprotokoll ist eine Reihe von Verfahren und Praktiken für die Kommunikation zwischen Netzwerkgeräten. Es definiert, wie Daten formatiert, übertragen und empfangen werden. Beispiele hierfür sind HTTP, FTP, SMTP und DNS. Protokolle können auf verschiedenen Ebenen im OSI-Modell betrieben werden, beispielsweise auf der Anwendungsschicht (HTTP), der Transportschicht (TCP) und der Netzwerkschicht (IP).

2.4. Steckdosen

Ein Socket ist ein Netzwerkendpunkt zum Senden oder Empfangen von Daten über mehrere Geräte hinweg. Dabei handelt es sich um eine Paarung einer IP-Adresse und einer Portnummer. Es gibt zwei Haupttypen von Sockets: SOCK_STREAM für verbindungsorientierte TCP-Verbindungen und SOCK_DGRAM für verbindungslose UDP-Verbindungen. Sockets ermöglichen die Implementierung verschiedener Netzwerkdienste, wie zum Beispiel Web- und E-Mail-Server.

3. OSI-Modell und der TCP/IP-Stack

Es werden bestimmte Modelle definiert, die uns sagen, wie wir unsere Geräte oder Computer über das Internet verbinden, damit sie miteinander interagieren und kommunizieren können. Es gibt zwei Hauptmodelle zur Definition von Netzwerken. OSI-Modell oder TCP/IP-Stack. Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über jeden von ihnen geben:

3.1. TCP/IP-Stack

Der TCP/IP-Stack ist eine Reihe von Kommunikationsprotokollen, die zur Verbindung von Netzwerkgeräten im Internet verwendet werden und so eine zuverlässige Datenübertragung und Kommunikation gewährleisten. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Verfahren zur Art und Weise, wie Computer interagieren können und wie diese Systeme gestaltet werden. Um die Funktionen zu verstehen, ist es in fünf Schichten unterteilt. Jede Schicht hat ihre Aufgabe, und zwar die Anwendungs-, Transport-, Netzwerkzugriffs-, Datenverbindungs- und physikalische Schicht. Der TCP/IP-Stack bietet eine praktische Implementierung von Netzwerken in der realen Welt, im Gegensatz zum OSI-Modell, das ein theoretisches Verständnis der Netzwerkkommunikation vermittelt. Darüber hinaus bietet die Transportschicht die Möglichkeit einer zuverlässigen Datenübertragung, und der Netzwerkzugriff stellt die korrekte IP-Adresse und das Routing von Datenpaketen usw. sicher.

3.2. OSI-Modell

Ähnlich wie TCP/IP wird auch das OSI-Modell verwendet, um das Netzwerk über mehrere Geräte hinweg zu gestalten. Es handelt sich um einen konzeptionellen Rahmen, der aus einer Reihe von Verfahren zum Verständnis und zur Implementierung von Netzwerkprotokollen in sieben verschiedenen Schichten besteht. Es teilt sich die gleiche Schicht wie TCP/IP, mit einer zusätzlichen Schicht. Dazu gehören: Anwendung, Präsentation, Sitzung, Transport, Netzwerkzugriff, Datenverbindung und physikalische Schicht. Der Hauptunterschied zwischen OSI und TCP/IP besteht insbesondere in den zwei zusätzlichen Schichten, die in die Anwendungsschicht von TCP/IP integriert sind.

Grundlagen der Socket-Programmierung

1. Socket-Programmierung als Grundlage der Vernetzung in Python

Bei der Vernetzung werden zwei oder mehr Geräte so miteinander verbunden, dass eine Kommunikation innerhalb dieser Geräte möglich ist. In Python ist die Socket-Programmierung ein grundlegender und zentraler Mechanismus zur Netzwerkerstellung. Für die Socket-Programmierung müssen wir das Socket-Modul importieren. Mithilfe des Socket-Moduls kann ein Entwickler Sockets für die TCP- und UDP-Kommunikation generieren, konfigurieren und verwalten. Dieses Modul verfügt über viele integrierte Methoden, die zum Erstellen von Sockets und zur Unterstützung ihrer Verknüpfung untereinander erforderlich sind. Ein paar wichtige Methoden, die verwendet werden, sind socket.socket, die zum Erstellen eines Sockets verwendet wird. Dieser Socket wird sowohl auf der Client- als auch auf der Serverseite verwendet. Um die Kommunikation zu akzeptieren, verwenden wir außerdem die Methode socket.accept.

Hinweis

TCP steht für Transmission Control Protocol, ein verbindungsorientiertes Protokoll, das eine zuverlässige Datenübertragung gewährleistet. UDP ist ein Benutzer-Datagramm-Protokoll, ein verbindungsloses Protokoll, bei dem Geschwindigkeit Vorrang vor Zuverlässigkeit hat.

2. Sockets als Endpunkte für die Kommunikation zwischen Maschinen

Sockets sind die Netzwerkendpunkte, die zum Senden und Empfangen von Daten verwendet werden. Standardmäßig verfügt ein einzelnes Netzwerk über zwei Sockets, einen für jedes Kommunikationsgerät. Diese Sockets kombinieren IP-Adressen und Portnummern. Darüber hinaus kann ein einzelnes Gerät basierend auf der verwendeten Portnummer über N Sockets verfügen. Für unterschiedliche Protokolltypen stehen unterschiedliche Ports zur Verfügung; Beispielsweise verwendet HTTP Port 80. Durch diesen Endpunktmechanismus können Entwickler einen genauen und zuverlässigen Datenaustausch in verschiedenen Netzwerkszenarien sicherstellen.

3. Beispiel: Erstellen und Verwenden von Sockets für die grundlegende Netzwerkkommunikation

Nachdem wir nun verstanden haben, was Socket-Programmierung ist, da sie die Grundlage der Python-Programmierung darstellt, gehen wir zum Code-Editor über und sehen, wie wir ihn erstellen können. Wir müssen zwei verschiedene Dateien für die Client- und Serverseite erstellen, um die Verbindung herzustellen.

server.py

IPv4: 32-bit address: 192.168.1.1 
IPv6: 128-bit address: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 

client.py

HTTP uses port 80  
HTTPS uses port 443

Arbeiten mit TCP/IP

1. Transmission Control Protocol (TCP) und seine Rolle in der Kommunikation

TCP, auch als Transmission Control Protocol bekannt, ist ein Transportschichtprotokoll innerhalb des TCP/IP-Modells. Es besteht aus einer Reihe von Protokollen und Verfahren, die entscheiden, wie Daten über das Internet gesendet werden. Wenn Daten als Dateien gesendet werden, werden sie normalerweise in einzelne Pakete zerlegt. Wenn Pakete mit einer eindeutigen Nummer für jedes Paket am Ziel ankommen. Wir können sie damit zusammenbauen. Wenn einige Pakete fehlen, stellt TCP außerdem sicher, dass sie erneut gesendet werden. Aus diesem Grund nennen wir TCP ein zuverlässiges Protokoll für die Kommunikation, da es die Kommunikation über den Handshake-Prozess aufbaut, die empfangenen Daten bestätigt und verlorene Pakete erneut überträgt, indem es die richtige Reihenfolge der Pakete beibehält und die Datenintegrität und -zustellung sicherstellt.

2. Beispiel: Erstellen von TCP-Client- und Serveranwendungen in Python

Der Server ist die Software, die auf die Anfrage des Clients wartet, und der Client fordert die Ressourcen vom Server an. Die Socket-Programmierung wird meist für die Client-Server-Architektur implementiert. Hier besprechen wir das Beispiel der Erstellung eines Clients und eines Servers, bei dem der Client eine Nachricht sendet und der Server auf diese Nachricht antwortet und mithilfe des Socket-Moduls mit TCP die entsprechende Antwort auf diese Anfrage gibt. Lassen Sie uns sowohl das Client- als auch das Servermodell entwerfen.

server.py

IPv4: 32-bit address: 192.168.1.1 
IPv6: 128-bit address: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 

client.py

HTTP uses port 80  
HTTPS uses port 443

3. Erstellen einer einfachen Chat-Anwendung mit TCP-Sockets

Erstellen wir eine einfache Chat-Anwendung in Python mit TCP-Sockets, bei der der Server auf die eingehenden Befehle lauscht und der Client eine Verbindung zu diesem Server herstellt, um Nachrichten zu senden und zu empfangen. Wir werden den Chatroom mit dem in Python integrierten Modul, d. h. Socket, erstellen. Wir müssen also für jede Seite, wie den Client und den Server, separat Code schreiben:

server.py

import socket #Import library

#Create a socket object and then define two arguments first one specifies the IP address
#and second indicate the use of a TCP socket.
soc = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
#Prepare to receive connections by binding it to the IP address and port
soc.bind((socket.gethostname(), 1042))
#Listen to the connection
soc.listen(5)

while True:
     #Set client socket and address and make a connection
     clt, addr = soc.accept() 
     print(f"Connection Established to address {addr}")
     msg = "Message Received and the message is ->"
     clt.send(bytes(msg + "Socket Programming in Python", "utf-8"))

client.py

import socket #Importing the module

#Create a socket object and then define two arguments first one specifies the IP address
#and second for indicating the use of a TCP socket.
soc = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
#Set the connection with the port number and hostname
soc.connect((socket.gethostname(), 1042))
#Set the bytes of the message how much you want to receive
msg = soc.recv(100)
print(msg.decode("utf-8"))

Zusammenfassung

Networking ist ein entscheidendes Konzept in der Informatik und Programmierung. Es löst die meisten menschlichen Probleme, egal ob Sie in Ihrem Büro arbeiten oder Dateien mit Ihrem Team teilen. Alternativ können Sie auch einen Verwandten aus einem anderen Land kontaktieren. Zusammenfassend haben wir uns auf die solide Einführung von Netzwerkgrundlagen mithilfe von Python konzentriert. Wir lernten die wesentlichen Themen Netzwerksteuerungen und -modelle, Client- und Serverarchitektur sowie praktische Beispiele anhand der Socket-Bibliothek. Diese Bibliothek gewährleistet den Aufbau eines sicheren und zuverlässigen Netzwerks für verteilte Systeme. Experimentieren Sie weiter und bauen Sie diese Fähigkeiten aus, um Ihre Kenntnisse in der Netzwerkprogrammierung weiter zu verbessern. Ich hoffe, dieser Leitfaden ist hilfreich. Vielen Dank fürs Lesen. Viel Spaß beim Codieren!

Referenz

Netzwerken in Python

Socket-Bibliothek

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonFortgeschrittene Python-Konzepte – Vernetzung mit Python. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!