Работа с сетевыми соединениями в Python

Цели и задачи

Цель данного занятия — ознакомить студентов с основами работы с сетевыми соединениями в Python, а также научить их анализировать сетевой трафик с помощью Wireshark. В рамках занятия студенты изучат:

Принципы работы сетевых протоколов TCP и UDP.
Реализацию клиент-серверного взаимодействия на Python.
Основы анализа сетевого трафика.
Работа с HTTP-запросами через socket и requests.
Взаимодействие с сервисом по протоколу HTTP.

Подготовительный этап

Работу следует выполнять в среде Visual Studio Code, используя установленное расширение для Python. Перед началом необходимо:

Создать и активировать виртуальное окружение с помощью venv или conda.
Установить библиотеку requests для работы с HTTP-запросами.
Инициализировать Git-репозиторий, добавить .gitignore и README.md.
Закоммитить изменения. Не выполнять push.

Создание простых программ для клиент-серверного взаимодействия и анализ сетевого трафика в Wireshark

Необходимо реализовать две программы: сервер и клиент. Они должны обмениваться данными по протоколам TCP и UDP. В первом случае клиент отправляет строку, а сервер её модифицирует и возвращает обратно.

Пример TCP-сервера:

import socket
+
+server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
+server.bind(("0.0.0.0", 10000))
+server.listen(1)
+print("TCP сервер запущен")
+
+while True:
+
+    conn, addr = server.accept()
+    print(f"Подключение от {addr}")
+
+    data = conn.recv(1024)
+    if not data:
+        break
+    conn.sendall(data.upper())
+
+    conn.close()
+
+    if data.upper() == b'EXIT':
+        break
+
+

Пример TCP-клиента:

import socket
+
+client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
+client.connect(('127.0.0.1', 10000))
+client.sendall(b'hello server')
+data = client.recv(1024)
+print(f"Ответ от сервера: {data.decode()}")
+client.close()
+

Wireshark — это инструмент для анализа сетевого трафика, который позволяет просматривать отправленные и полученные пакеты. Важным аспектом работы с TCP является трёхстороннее рукопожатие (three-way handshake):

Клиент отправляет SYN-пакет серверу.
Сервер отвечает SYN-ACK.
Клиент отправляет ACK, устанавливая соединение.

Задание:

Запустите Wireshark и начните захват трафика. Вам очень поможет фитльр tcp.port==10000 || udp.port==10001.
Запустите сервер и клиент, зафиксируйте обмен пакетами.
Остановите захват и найдите последовательность SYN, SYN-ACK, ACK.
Обратите внимание на Sequence Number, Sequence Number (raw), Acknowledgment Number, Acknowledgment Number (raw), Flags. Эти параметры определяют порядок передачи данных и подтверждения приёма.
Зафиксируйте последовательность завершения соединения (FIN), которая включает обмен FIN- и ACK-пакетами.
Измените TCP-клиент так, чтобы TCP-сервер завершил работу.

Пример UDP-сервера:

import socket
+
+server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
+server.bind(('0.0.0.0', 10001))
+print("UDP сервер запущен")
+
+while True:
+    data, addr = server.recvfrom(1024)
+    print(f"Сообщение от {addr}: {data.decode()}")
+    server.sendto(data.upper(), addr)
+

Пример UDP-клиента:

import socket
+
+client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
+client.sendto(b'hello server', ('127.0.0.1', 10001))
+data, _ = client.recvfrom(1024)
+print(f"Ответ от сервера: {data.decode()}")
+client.close()
+

Задание:

Запустите Wireshark и начните захват трафика.
Запустите сервер и клиент, зафиксируйте обмен пакетами.
Проанализируйте разницу в передаче данных между TCP и UDP, сравнив структуру пакетов в Wireshark.
Модифицируйте серверную программу, чтобы изменять входящие данные перед отправкой клиенту. Измените порты для сервера и клиента.

Подключение к веб-серверу и работа с HTTP-запросами

Создайте TCP-клиент, который устанавливает соединение с vyatsu.ru по порту 80 и отправляет HTTP-запрос:

import socket
+
+client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
+client.connect(('vyatsu.ru', 80))
+request = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: vyatsu.ru\r\n\r\n"
+client.sendall(request.encode())
+response = client.recv(4096)
+print(response.decode())
+client.close()
+

Задание:

Запустите Wireshark, выполните запрос и проанализируйте трафик (фильтр tcp.port==80 оставит интересующие нас пакеты видимыми). Определите используемые протоколы. Поясните ответ от сервера.
Повторите запрос с использованием requests:

import requests
+
+response = requests.get("http://vyatsu.ru")
+print(response.text[:500])
+

Сравните полученные данные с анализом Wireshark и измените код первого примера так, чтобы он выглядел как захваченный трафик при использовании requests.

Работа с API Gitea

Задание:

Сгенерируйте API-токен в Gitea (https://git.vyatsu.ru/user/settings/applications) с правами только на чтение.
Важно! Токен не должен попадать в коммиты. Добавьте его в .gitignore и используйте переменные окружения.
Выполните запрос к API Gitea:

import requests
+
+TOKEN = "ВАШ_ТОКЕН"
+headers = {"Authorization": f"token {TOKEN}"}
+response = requests.get("https://git.vyatsu.ru/api/v1/user", headers=headers)
+print(response.json())
+

Выпустите новый токен с правами на запись и, например, создайте репозиторий, issue или комментарий. У каждого студента должно быть свой вариант.
Закоммитьте весь написанный код и выполните git push из среды Visual Studio Code.

Критерии успешного выполнения

Все программы корректно работают и взаимодействуют друг с другом.
В Wireshark зафиксированы последовательности TCP Handshake и завершения соединения.
Анализ трафика выполнен, найдены отличия между socket и requests.
API-токен не попал в коммиты.
Программа взаимодействия с Gitea Vyatsu.ru написана, отлажена и работает.
Все изменения зафиксированы в git и запушены в удалённый репозиторий на https://git.vyatsu.ru/. В названии репозитория упомянуть, что это третья работа.