人生苦短，我用Python（二）—Python使用Socket实现TCP连接的建立和传输
最近，一直在研究TCP相关的状态、交互和故障等各种情况出现的原因分析。由于博主本人的工作是一名网络工程师，对应用程序是如何影响TCP交互的过程一直不是很了解，并且在深入研究TCP相关知识的过程中也不断接触到各类文章，与操作系统底层参数、C语言编程等相关的知识，感觉触碰到了本人知识框架的边界。在这个背景下，由于博主具备简单的python编程能力，所以决定从python入手，首先研究python调用TCP socket的过程、其中可以控制的参数以及对TCP状态的影响，由此入手，之后再开展其他语言调用TCP Socket的相关学习。
首先看一张经典的图：
该图描述了，服务器端与客户端是如何调用socket，进行数据传输的。下面，结合具体语句，描述上图的这个过程。
服务器 x.200.x.30：12345《——客户端 x.10.x.39
本次语句实现开启服务器端12345端口监听，客户端与该端口建立连接，发送数据。
首先来看服务器端的程序
在服务器端，调用socket，创建套接字描述符，之后的操作都是在此描述符基础上的。
sk = socket.socket() #之后将该套接字与IP地址和端口进行绑定
Sk.bind（（”x.200.x.30”,12345））#之后将该套接字与IP地址和端口进行绑定
sk.listen(5)#打开该端口的监听，以及设置支持的最大连接数数量。该最大连接数量是指已经收到了建立连接的清颩，但是服务器该没有调用accept处理的连接数。
此时应该能在服务器端看到，该端口出于监听状态。
在windows平台通过netstat -ano | findstr 12345 查看
在linux平台通过 netstat -nap | grep 12345 查看
conn, address = sk.accept()#接受连接，并返回conn 和 addressConn为套接字的对象，用来发送和接收数据，address则是连接的客户端地址
此时在服务器端程序在未收到连接请求时会阻塞，等待连接的到来。
至此，服务器端做好接受客户端连接的准备
下面看客户端的程序
与服务器端类似，客户端调用socket，创建套接字描述符
obj=socket.socket()
obj.connect((“1.1.1.1”,12345))#连接目标地址和端口的套接字程序运行至此，客户端会去尝试与目标服务器的ip地址和端口，建立tcp连接，此时tcp状态应该为SYN-SENT状态，我们可以通过与不可达的ip建立tcp连接，来观察此现象。
（在此说明，由于客户端本地存在着使用12345端口的应用，与本文无关，为避免干扰，将其打码掩盖。）
同时，我们可以通过wireshark抓包发现，windows 7操作系统，重传SYN包的时间间隔同样为3s、6s这样指数递增，符合RFC1122的标准。
至此，客户端可以与服务器端建立连接。
在完成了以上程序后，我们利用os或subprocess模块，调用系统命令，查看程序运行后，tcp连接的建立情况。同时，我们丰富该程序的功能，使用循环语句，反复发送数据如下：
obj.send(bytes("This is %s msg from client"%i,encoding="utf-8"))#使用.send，将数据发送到连接的套接字当到达想要的循环次数时，发送带有’End’的字符，作为判断数据已发送完毕的标志。
接收数据：
ret=str(obj.recv(1024),encoding="utf-8") #接受数据，1024指定最多可以接受的数据的大小当服务器端收到带有’End’字符的数据时，代表客户端告诉服务器端数据已发送完毕，于是服务器返回Finish，告诉客户端我的数据也发送完了。
具体实现语句如下：
服务器端：
#! python3
# SocketTestv0.1.py
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
import os
import time
def main():
while True:
ret = str(conn.recv(1024), encoding="utf-8")
print(ret)
if 'End' in ret:
print('End')
conn.sendall(bytes("Finish!", encoding="utf-8"))
#conn.close()#sk.close 不发送fin包
os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)
break
else:
print('Not close')
continue
if __name__=='__main__':
while True:
host = 'x.200.x.30'
port = 12345
sk = socket.socket()
sk.bind((host, port))
sk.listen(5)
#sk.settimeout(10)
print('The port is listening...')
os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)
print('Wait for the client.')
conn, address = sk.accept()
print('Connecting...')
print('Connect from: ', address)
os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)
main()客户端：
#! python3
# SocketTestClientv0.1.py
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
import os
import subprocess
host='x.200.x.30'
port=12345
obj=socket.socket()
obj.connect((host,port))
cmd='netstat -ano | findstr %s'%port
result1=subprocess.getoutput(cmd)
print(result1)
i=0
while True:
obj.send(bytes("This is %s msg from client"%i,encoding="utf-8"))
i=i+1
print(i)
if i==5:
obj.send(bytes("End",encoding="utf-8"))
ret=str(obj.recv(1024),encoding="utf-8")
print(ret)
if ret=='Finish!':
#obj.close()
break
else:
continue
result2=subprocess.getoutput(cmd)
print(result2)我们希望能够在已上程序的基础上通过对程序各项参数的修改，完成对TCP建立连接过程中，TCP各项状态的观察。TCP状态机如下：
TCP建立连接状态的观察——SYN_SENT、ESTABLISHED
SYN_SENT状态，在前文已经描述过，不再赘述
ESTABLISHED状态，不对程序做任何修改，先运行服务器端程序，再运行客户端程序
运行结果如下：
服务器端：
客户端：
Wiresark抓包：
可以看到，TCP三次握手建立成功，客户端主动发送数据，服务器根据预期返回相应数据。程序运行完后，TCP连接保持在Established状态。
TCP断开连接状态的观察—FIN_WAIT2、CLOSE_WAIT、TIME_WAIT
我们可以通过.close()语句，关闭该连接，同时观察TCP连接的状态。
将上述代码中close相关语句前的#去掉即可。
1.客户端断开连接，服务器端不断开，查看两边状态：
Wireshark抓包：
通过数据包可以发现，客户端发送FIN包，断开连接，服务器端返回ACK。之后客户端等待120秒后，将该链接重置。
服务器端：
服务器端收到FIN包，返回ACK包，进入CLOSE_WAIT状态。
客户端：
客户端发送FIN包，收到ACK包，进入FIN_WAIT_2状态，等待120秒后，客户端将该链接重置。
已上结果，符合预期
2.服务器端断开连接，客户端不断开
Wireshark抓包：
服务器端：
客户端
以上现象，与第一种情况正好颠倒，结果符合预期，不再赘述。在此基础上，我们发现使用sk.close()无法触发断开连接的FIN包。（这一点疑问有待后续研究）
3.客户端与服务器端均断开连接
Wireshark抓包：
服务器端：
客户端：
可以看到服务器端进入TIME_WAIT状态，客户端该连接已关闭。
通过抓包数据可以发现，数据传输完毕后，服务器端率先发送断开连接的FIN包，客户端回应ACK响应。之后客户端发起断开连接的FIN包，服务器发送ACK响应。
服务器作为最后一个返回FIN 包ACK的角色，进入TIME_WAIT状态，这是由于最后一个返回ACK的角色，担心对端没有收到其返回的ACK，所以要多等待2MSL的时间，以确保如果对端没有收到ACK而进行FIN包的重传，能够被本端正常接收。2MSL的时间，在windows中，为2min，可以在2min后，观察查看。
重置连接的几种情况——RST
1.服务器端口没有在监听状态
Wireshark抓包:
可以看到客户端尝试建立连接，但由于服务端知道自己该端口没有在监听状态，将该连接重置。同时在客户端上可以看到，报Connection Refused 的错误。
（同时还发现，本案例中，若之前存在服务器和客户端的连接在establishe状态，想要客户端与服务器端建立新的TCP连接，客户端会发送RST将连接重置，不知为何）。
2.应用主动关闭:
Wireshark抓包
在双方都没有主动关闭连接的情况下，tcp连接维持在Establishe状态，此时主动关闭应用。应用会将该链接重置。
3.FIN_WAIT2状态接受到数据。
对程序稍作修改，在客户端程序中修改：
if ret=='Finish!':
obj.send(bytes("TESTETEST", encoding="utf-8"))
#obj.close()
breakWireshark抓包：
通过wireshark抓包可以发现，在服务器端发送FIN，收到ACK，进入FIN_WAIT2状态后，客户端又发送了数据，服务器端立刻将该连接重置。
总结：
这篇文章整理了，python是如何调用socket实现TCP连接的建立，并传送数据的。我们可以通过抓包发现TCP建立连接、断开连接的过程。同时我们通过对程序的修改，实现了对几种TCP状态的观察，包括SYN_SECT、ESTABLISHED、FIN_WAIT2、TIME_WAIT、CLOSE_WAIT状态。除此之外，我们对RST重置连接的产生，进行了初步的整理。
希望这篇文章能够对大家有所帮助。