07.网络编程-3.TCP

1、tcp相关介绍

TCP协议，传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写为 TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

TCP通信需要经过创建连接、数据传送、终止连接三个步骤。

TCP通信模型中，在通信开始之前， 一定要先建立相关的链接， 才能发送数据， 类似于生活中， "打电话""

TCP特点

1. 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一个连接进行。

完成数据交换后，双方必须断开此连接，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。

1. 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

   1. 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。

   1. 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。

   1. 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与UDP的不同点

• 面向连接（确认有创建三方交握，连接已创建才作传输。）
• 有序数据传输
• 重发丢失的数据包
• 舍弃重复的数据包
• 无差错的数据传输
• 阻塞/流量控制

2、TCP服务器

实际生活中：

1. 买个手机
2. 插上手机卡
3. 设计手机为正常接听状态（即能够响铃）
4. 静静的等着别人拨打

在程序中， 如果想要完成一个TCP服务器的功能， 需要的流程如下：

1. socket创建一个套接字
2. bind绑定ip和port
3. listen使套接字变为可以被动链接
4. accept等待客户端的链接
5. recv/send接收发送数据

一个很简单的TCP服务器如下：

from socket import *

# 1.创建一个socket套接字（买手机卡）
tcpSerSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 2.bind绑定本机ip和port(插上手机卡)
address = (''. 7777)
tcpSerSocket.bind(address)
# 3.listen使套接字变为可以被动链接(设置为手机正常接听状态)
tcpSerSocket.listen(5)

# 4.accept等待客户端的链接(静静的等着别人拨打)
# newSocket用来为这个客户端服务
# tcpSerSocket就可以省下来专门等待其他新客户端的链接
newSocket, clientAddr = tcpSerSocket.accept()

# 5.recv接收数据，最大接收1024个字节
recvData = newSocket.recv(1024).decode('gbk')
print('接收到的数据为:',recvData)

# 6.send发送一些数据到客户端
newSocket.send("服务器已经收到了!".encode('gbk'))

# 关闭为这个客户端服务的套接字， 只要关闭了， 就意味着为不能再为这个客户端服务
newSocket.close()
# 关闭监听套接字， 只要这个套接字关闭了， 就意味着整个程序不能再接收任何新的客户端的连接
tcpSerSocket.close()

3、TCP客户器

TCP的客户端要比服务器端简单很多，如果说服务器端是需要自己买手机、查手机卡、设置铃声、等待别人打电话流程的话，那么客户端就只需要找一个电话亭，拿起电话拨打即可，流程要少很多

生活中的电话机，如果想让别人能更够打通咱们的电话获取相应服务的话，需要做以下几件事情：

1. 买个手机
2. 插上手机卡
3. 设计手机为正常接听状态（即能够响铃）
4. 静静的等着别人拨打

from socket import *
from time import *

# 1.socket创建一个套接字
tcpClient = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
# 2.绑定本机端口号,也可以不绑定
tcpClient.bind(('',8888))
# 3.连接服务器
tcpClient.connect(('192.168.14.72',5678))
#4.接收消息
data1 = tcpClient.recv(1024)
print(data1.decode('gbk'))

#5.发消息
while True:
    data = input('>>\t').encode('gbk')
    tcpClient.send(data)
    if data=='886':
        sleep(4)
        tcpClient.close()
        break

4.应用：模拟QQ聊天

客户端参考代码

from socket import *

# 创建socket
tcpClientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 链接服务器
serAddr = ('192.168.1.102', 7788)
tcpClientSocket.connect(serAddr)

while True:

    # 提示用户输入数据
    sendData = input("send：")

    if len(sendData)>0:
        tcpClientSocket.send(sendData)
    else:
        break

    # 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
    recvData = tcpClientSocket.recv(1024)
    Print('recv:',recvData)

# 关闭套接字
tcpClientSocket.close()

服务器端参考代码

#coding=utf-8
from socket import *

# 创建socket
tcpSerSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 绑定本地信息
address = ('', 7788)
tcpSerSocket.bind(address)

# 使用socket创建的套接字默认的属性是主动的，使用listen将其变为被动的，这样就可以接收别人的链接了
tcpSerSocket.listen(5)

while True:

    # 如果有新的客户端来链接服务器，那么就产生一个信心的套接字专门为这个客户端服务器
    # newSocket用来为这个客户端服务
    # tcpSerSocket就可以省下来专门等待其他新客户端的链接
    newSocket, clientAddr = tcpSerSocket.accept()

    while True:

        # 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
        recvData = newSocket.recv(1024)

        # 如果接收的数据的长度为0，则意味着客户端关闭了链接
        if len(recvData)>0:
            print 'recv:',recvData
        else:
            break

        # 发送一些数据到客户端
        sendData = input("send:")
        newSocket.send(sendData)

    # 关闭为这个客户端服务的套接字，只要关闭了，就意味着为不能再为这个客户端服务了，如果还需要服务，只能再次重新连接
    newSocket.close()

# 关闭监听套接字，只要这个套接字关闭了，就意味着整个程序不能再接收任何新的客户端的连接
tcpSerSocket.close()

5.应用：tcp通信-多线程服务器端

from socket import *
from threading import *

class Mythread(Thread):
    def __init__(self, socketClient, clientAddress):
    	Thread.__init__(self)
    	self.socketClient = socketClient
    	self.clientAddress = clientAddress

    def run(self):
    	data1 = '哈哈。。。可以聊天了'.encode('utf_8')
    	self.socketClient.send(data1)

    	while True:
            try:
                # 接收客户端发的消息
                data = self.socketClient.recv(1024).decode('utf-8')
            except:
            	print('<<\t%s-%s 已经断开了' % (self.clientAddrdess[0], self.clientAddrdess[1]))
            	break
            if data == '886':
            	break
        	print('<<\t%s-%s:%s' % (self.clientAddrdess[0], self.clientAddrdess[1], data))

def main():
    tcpServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcpServer.bind(('', 5678))
    tcpServer.listen(5)

    while True:
    	print('服务器等待客户端连接......')
    	socketClient, clientAddress = tcpServer.accept()
    	Mythread(socketClient, clientAddress).start()
    	print('%s-%s 连接成功......' % (clientAddrdess[0], clientAddrdess[1]))

if __name__ == '__main__':
	main()

#tcpServer.close() 通常不用关服务器的

6、tcp三次握手

• 当客户端调用connect时，发送syn x（一个序号）给服务端，服务端有listen和accept，服务端收到后ack x+1给客户端，同时会一并传递一个新的syn y，客户端收到后，acd y+1给服务端，此时三次握手完成。
• 生活中的例子理解以上内容：好比AB两人打电话，A发出hello后，不清楚B是否收到信息，B收到后回复听到 了，并发送hello，A收到后确定第一次发出的信息B可以收到，但是B发送信息后，无法确定A是否收到，因此A应当回复收到

7、tcp四次挥手

• 通过close关闭套接字来实现四次挥手，一般情况下，服务器不会主动关闭，而是让客户端关闭连接。以下内容假定以客户端关闭socket来描述，指定A为客户端，B为服务器
• socket是全双工的，可以同时接收和发送
• 当A调用close后，自身关闭send（socket依然存在），并告知B（第一次）不会再发送内容了，B收到后，返回消息给A（第二次）表明已收到，就会去关闭recv，此时的实现是底层的，为了解除堵塞，B会设定recv得到的内容为空字符串，此时如果有代码判定，如果recv收到内容为空，就要调用close来关闭B的send，调用完成后，发送消息给A（第三次），A收到后关闭recv，并反馈消息给B（第四次），至此四次挥手完成，但是A的socket并未关闭，因为它不确定最后一次发送消息B是否收到，假设B没有收到，那么B会在超时等待（每次通信过程，都存在超时等待，超过等待时间，就会重新发送数据）后再次发送数据，此时如果A不存在了，此次过程就会失败，所以A会等待两个MSL（数据在网络中存储的最大时间，因为要发和收，所以是两个）的时间后才会关闭，这也就是出现地址占用问题的原因，解决办法见Address already in use
• 谁先调用close，谁就会在最后等待两分钟左右，所以会有端口占用问题，因为服务器会绑定端口，客户端不绑定端口，所以一般先让客户端close，客户端如果再次运行，又会随机分配端口
• 与三次握手，将服务器端的确认信息及反馈信息同时发送不同，四次挥手第二次和第三次无法合并，因为是不同的情况下发生的，第三次是需要服务器调用close才会发生的

8、tcp十种状态

注意:

• 当一端收到一个FIN，内核让read返回0来通知应用层另一端已经终止了向本端的数据传送
• 发送FIN通常是应用层对socket进行关闭的结果

9、tcp长连接和短连接

9.1TCP短连接

模拟一种TCP短连接的情况:

1. client 向 server 发起连接请求
2. server 接到请求，双方建立连接
3. client 向 server 发送消息
4. server 回应 client
5. 一次读写完成，此时双方任何一个都可以发起 close 操作

在第 步骤5中，一般都是 client 先发起 close 操作。当然也不排除有特殊的情况。

从上面的描述看，短连接一般只会在 client/server 间传递一次读写操作！

9.2TCP长连接

再模拟一种长连接的情况:

1. client 向 server 发起连接
2. server 接到请求，双方建立连接
3. client 向 server 发送消息
4. server 回应 client
5. 一次读写完成，连接不关闭
6. 后续读写操作...
7. 长时间操作之后client发起关闭请求

tcp注意点

• tcp服务器一般情况下都需要绑定，否则客户端找不到这个服务器
• tcp客户端一般不绑定，因为是主动链接服务器，所以只要确定好服务器的ip、port等信息就好，本地客户端可以随机
• tcp服务器中通过listen可以将socket创建出来的主动套接字变为被动的，这是做tcp服务器时必须要做的
• 当客户端需要链接服务器时，就需要使用connect进行链接，udp是不需要链接的而是直接发送，但是tcp必须先链接，只有链接成功才能通信
• 当一个tcp客户端连接服务器时，服务器端会有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
• listen后的套接字是被动套接字，用来接收新的客户端的链接请求的，而accept返回的新套接字是标记这个新客户端的
• 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链接服务器，但是之前已经链接成功的客户端正常通信。
• 关闭accept返回的套接字意味着这个客户端已经服务完毕
• 当客户端的套接字调用close后，服务器端会recv解堵塞，并且返回的长度为0（是空字符串），因此服务器可以通过返回数据的长度（或者判断是否是空字符串）来区别客户端是否已经下线