Python—TCP协议

网络编程

TCP简介

TCP协议，传输控制协议（Transmission Control Prorocol）是一种面向连接的。可靠的、基于字节流的传输层通信协议

TCP通讯需要经过创建连接，传输数据，终止连接三个步骤

TCP特点

面向连接

通信双方必须先建立连接才能进行数据的传输，双方都必须为该连接分配必要的系统内核资源，以管理连接的状态和连接上的传输。

双方间的数据传输都可以通过这个连接进行。

完成数据交换后，双方断开此连接，以释放系统资源。

这种连接是一对一的

因此TCP不适用于广播的应用程序，基于广播的应用程序请使用UDP协议。

可靠传输

1）TCP采用发送应答机制

TCP发送的每个报文段都必须得到接收方的应答才认为这个TCP报文段传输成功

2）超时重传

发送端发出一个报文段之后就启动定时器，如果在定时时间内没有收到应答就重新发送这个报文段。

TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。

3）错误校验

TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

4. 流量控制和阻塞管理

流量控制用来避免主机发送得过快而使接收方来不及完全收下。

TCP和UDP的不同点

• 面向连接
• 有序的数据传输
• 重发丢失的数据包
• 无差错的数据传输（舍弃重复的数据包，舍弃重复的数据包）
• 阻塞/流量控制
  可以通过这个连接进行。

完成数据交换后，双方断开此连接，以释放系统资源。

这种连接是一对一的

因此TCP不适用于广播的应用程序，基于广播的应用程序请使用UDP协议。

可靠传输

1）TCP采用发送应答机制

TCP发送的每个报文段都必须得到接收方的应答才认为这个TCP报文段传输成功

2）超时重传

发送端发出一个报文段之后就启动定时器，如果在定时时间内没有收到应答就重新发送这个报文段。

TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。

3）错误校验

TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

4. 流量控制和阻塞管理

流量控制用来避免主机发送得过快而使接收方来不及完全收下。

TCP和UDP的不同点

• 面向连接

• 有序的数据传输

• 重发丢失的数据包

• 无差错的数据传输（舍弃重复的数据包，舍弃重复的数据包）

• 阻塞/流量控制

• TCP通信模型，类似’打电话’，在通信开始前一定要先建立相关连接，才能发送数据；而UDP通信模型，类似’写信’，不需要建立相关连接，只需要发送数据即可
  
  在Python中，用TCP进行socket编程也比较简单

• 客户端

  • 要主动连接服务器的IP和指定端口

• 服务器

  • 监听指定端口
  • 对于每一个新的连接，创建一个线程或者进程

通常，服务器程序可以无限运行下去。要注意的是，一个端口不能同时被两个socket绑定

TCP服务端和客户端的各自socket的创建和交互。

TCP服务器

在python程序中，如果要完成一个tcp服务器的功能，需要的流程如下：

• 1.socket创建一个套接字（买手机）
• 2.bind() 绑定IP和Port（插卡）
• 3.listen() 使套接字由主动变为被动连接，即开启监听模式（设置一个响铃模式）
• 4.accept() 等待客户端的连接
• 5.recv/send 接收/发送数据
• 6.关闭和客户端交互的套接字
• 7.关闭监听套接字

# 服务器端

import socket

#创建套接字
tcp_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#绑定本地信息
tcp_socket.bind(('',8080)) # port num>1024的随意用 <1024的一般指定了用途

#设置监听
tcp_socket.listen(5)

#创建新的套接字
new_socket,addr=tcp_socket.accept()

#收/发数据
content=new_socket.recv(1024)
print('接收到的数据：',content.decode('gbk'))
data=input('服务器发送的数据：')
new_socket.send(data.encode('gbk'))

# 关闭通信的socket
new_socket.close()

# 关闭用于监听的套接字
tcp_socket.close()

设置监听的目的：

socket默认为主动模式，listen()能够将主动模式改为被动模式，被动了才能接收信息listen(5)，5是指可以同时接收到的客户端申请的最大数，超过则拒绝

创建新套接字的原因：

服务器接收到请求后，将生成一个新的套接字，专门给新来的客户端提供一对一的服务

此时，服务器套接字的任务就是等待一个新的客户端套接字连接

# 客户端

import socket

#创建套接字
tcp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#目标服务器信息
server_ip=input('请输入服务器IP：')
server_port=int(input('请输入服务器port:'))

#连接服务器
tcp_client_socket.connect((server_ip,server_port))

#提示用户输入数据
send_data=input('请输入要发送的数据:')
tcp_client_socket.send(send_data.encode('utf-8'))

#接收服务器端的信息
recv_data=tcp_client_socket.recv(1024)
print('接收到的数据为：',recv_data.decode('gbk'))

#关闭套接字
tcp_client_socket.close()

# 运行结果
客户端：
请输入服务器IP：10.27.198.206
请输入服务器port:8080
请输入要发送的数据:asd
接收到的数据为： 123

服务器端：
接收到的数据： asd
服务器发送的数据：123

tcp注意点

1. tcp服务端一般情况下都需要绑定，否则客户端找不到这个服务端
2. tcp客户端一般不绑定，因为是主动连接服务端，所以只要确定好服务端的ip、port等信息就好，本地客户端可以随机
3. tcp服务端中通过listen可以将socket创建出来的主动套接字变为被动的，这是做tcp服务端时必须要做的
4. 当客户端需要连接服务端时，就需要使用connect进行连接，udp是不需要连接的而是直接发送，但是tcp必须先连接，只有连接成功才能通信
5. 当一个tcp客户端连接服务端时，服务端会有1个新的套接字，这个套接字用来标记这个客户端，单独为这个客户端服务
6. listen后的套接字是被动套接字，用来接收新的客户端的连接请求的，而accept返回的新套接字是标记这个新客户端的
7. 关闭listen后的套接字意味着被动套接字关闭了，会导致新的客户端不能够连接服务端，但是之前已经连接成功的客户端正常通信。
8. 关闭accept返回的套接字意味着这个客户端已经服务完毕
9. 当客户端的套接字调用close后，服务端会recv解堵塞，并且返回的长度为0，因此服务端可以通过返回数据的长度来区别客户端是否已经下线

TCP协议

当应用程序希望通过TCP与另一个应用程序通信时，他会发送一个通信请求，这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方"握手"之后，TCP将在两个应用程序之间建立一个全双工（full-duplex）的通信。这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或者双方关闭为止。

标志位，TCP的6个标志位

所谓标志位，一种二进制的指令

• SYN：发起一个新连接
• FIN：释放一个连接
• ACK：确认
• RST: 重新连接
• PSH：将数据段送到应用程序
• URG：紧急指针，指着紧要数据

TCP三次握手

TCP是因特网的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后。等待对方的回答SYN+ACK，并最终对对方的SYN执行ACK确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。

TCP三次握手的过程

• 客户端发送SYN（seq=x）报文交给服务器端，进入SYN_SEND状态
• 服务器端收到SYN报文，会因一个SYN（seq=y）+ACK（x+1）报文，进入SYN_RECV状态
• 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（y+1）报文，进入Established状态

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功建立连接，可以开始传输数据。

TCP四次挥手

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次挥手，这个是由TCP的半关闭（Half-close）造成的

• 1.某个应用进程首先调用close，称该端执行"主动关闭"（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN字节，表示数据发送完毕
• 2.接收到这个FIN的对端执行"被动关闭"（passive close），这个FIN由TCP确认

注意

FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相关的连接上再无额外数据可接收

• 3.一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将会调用close关闭它的套接字，这导致它的TCP也发送一个FIN
• 4.接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一段）确认这个FIN。（既然每端都需要一个FIN和一个ACK，因此，通常需要4个字节）

• 广播
• Mac地址
• arp协议
• 路由器
• 局域网
• 子网掩码

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