网络编程（二）

红太狼 2023-09-29 21:59 14阅读 0赞

## 6. TCP 三次握手四次挥手 ##

HTTP 协议是 Hype Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，是用于从万维网（WWW：World Wide Web）服务器（sever）传输超文本到客户端（本地浏览器 client）的传送协议。HTTP 协议基于 TCP/IP 协议之上，HTTPS 基于 TLS/SSL 协议层上，两者都是属于应用层的面向对象的协议。

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由上图可知，HTTP 协议工作前需要 client 与 sever 建立连接。该连接由 tcp 来完成，tcp 与 ip 共同组成了 Internet，也就是著名的 TCP/IP 通信协议。

### 6.1 TCP 简介 ###

TCP（Transmission Control Protocol）全名传输控制协议，是主机对住几层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，**采用三次握手来建立一个连接**。与 UDP 都是传输层的协议，比 UDP 更可靠，默认端口 80 。

**TCP标志位（位码）：**

*  SYN（synchronous）：建立连接
 *  ACK（acknowledgement）：确认
 *  ack：确认号
 *  PSH（push）：传送
 *  FIN（finish）：结束
 *  RST（reset）：重置
 *  URG（urgent）：紧急
 *  Sequence number：顺序号码
 *  Acknowledge number：确认号码

### 6.2 三次握手 ###

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最初两端 TCP 进程都处于关闭状态，client 主动打开连接，server 被动打开连接。大致步骤：client、server 关闭 —— server 收听到 listen —— client 同步已发送状态 SYN-SENT —— server 同步收到状态 SYN\_RCVD —— client、server 已建立状态 ESTABLEISHED。

规定：SYN=1 的报文不传输数据，并消耗一个随机序列号。

**1、第一次**

client 向 server 发送连接请求报文 `SYN=1` ，同时生成初始序列化 `seq=x`，此时 client 进入 `SYN-SENT`（同步已发送）状态。

**2、第二次**

server 收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中包含：`ACK=1，SYN=1`，确认号：`ack=x+1（即上一次的seq+1）`，同时也要为自己随机初始化一个序列号 `seq=y`。此时 server 进入 `SYN-RCVD`（同步收到）状态。这个报文也没有携带数据，循环 client 是否准备好。

**3、第三次**

client 收到确认后，向 server 给出确认：`ACK=1（与 server 给出的一致），ack=y+1`，此时 client 连接建立，进入 `ESTABLISHED` 状态。这里客户端表示已经准备好了。

### 6.3 四次挥手 ###

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**1、第一次**

client 发送一个 FIN ，用来结束连接。client 进程发出连接释放报文，并停止发送数据。释放报文首部：`FIN=1`，序列号 `seq=i`。

此时 client 进入 `FIN_WAIT_1` （终止等待1）状态。

**2、第二次**

server 收到这个 FIN 后，返回一个 `ACK`（确认），确认序号：`ack=i+1`。同时携带自己的序列号 `seq=j`。

此时， server 进入 `CLOSED_WAIT`（关闭等待）状态。

并通知高层的应用进程，此时处于半关闭状态，client 没有数据发送了，但 server 若发送数据，client 依然会接收，这种状态还会持续一段时间。

**3、第三次**

server 将最后的数据发送完毕后，发送一个 `FIN`（结束），确认序号：`ack=i+1`，同时携带序号 `seq=w`，准备 关闭 client 的连接，等待 client 的最后确认。

此时，server 进入 `LAST_ACK`（最后确认）状态。

**4、第四次**

client 发送 `ACK` 确认，并将确认序号+1：`ack=w+1`，而自己序列号 `seq=i+1`。

此时，client 进入 `TIME_WAIT`（时间等待）状态。

> \*\*Note：\*\*此时 client 并没有释放，必须等待 2MSL（最长报文段寿命）使君子后，当 server 撤销相应 TCB 后，从进入 `CLOSED` 状态。server 只要收到了 client 发出的确认，立即进入`CLOSED`状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接

**为什么会是四次挥手？**

三次握手时没有数据传输，而四次挥手时涉及到有数据传输。client 发出关闭请求，表示已经数据传输完毕，但是 server 有可能数据还未传输完毕，这时就需要已 server 端数据是否传输完毕为标准，因此需要四次。

当高并发时，现实情况往往是 server 先断开 client 连接，因为多保存 client 一次连接，就会多占用一些资源。因此在短时间内再次向 server 发起连接，会提示 serve time\_wait。

**客户端突然挂掉了怎么办？**

正常连接时，客户端突然挂掉了，如果没有措施处理这种情况，那么就会出现客户端和服务器端出现长时期的空闲。解决办法是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到

客户端的消息，就将计时器复位。超时时间通常设置为2小时。若服务器超过2小时没收到客户的信息，他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段，每一个相隔75秒，

还没有响应就认为客户端出了故障，因而终止该连接。

参考文章：[https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/8470997.html][https_www.cnblogs.com_qdhxhz_p_8470997.html]

## 7. 客户端服务端循环发送信息 ##

之前设计的 socket 程序只能进行一次发送接收就终止掉了，而现实情况不可能只有一次发送与接收，往往都是循环往复，那么就需要给 socket client 和 socket server 添加循环机制。

服务端：

from socket import *
    
    ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
    back_log = 5
    buffer_size = 1024
    
    tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcp_server.bind(ip_port)
    tcp_server.listen(back_log)
    
    print('服务端开始运行')
    conn, addr = tcp_server.accept()
    
    while True:
        data = conn.recv(buffer_size)
        print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
        conn.send(data.upper())
    
    conn.close()
    tcp_server.close()

服务端开始运行
    客户端发来的信息是 python

客户端：

from socket import *
    
    
    ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
    buffer_size = 1024
    
    tcp_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcp_client.connect(ip_port)     # 连接服务端
    
    while True:
        msg = input('请输入要发送的信息：')
        tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
        print('---------客户端已经发送消息------------')
        data = tcp_client.recv(buffer_size)
        print('接收到服务端发来的信息', data.decode('utf-8'))
    
    tcp_client.close()

请输入要发送的信息：python
    ---------客户端已经发送消息------------
    接收到服务端发来的信息 PYTHON
    请输入要发送的信息：

## 8. socket 收发信息原理剖析 ##

socket 客户端和服务端都属于应用层，即用户态层面。它们产生的数据（或从客户端发送到服务端的数据）必须通过内核态调用操作系统，将数据 copy 到内存中（缓存），然后根据 TCP/UDP 协议、通过网卡、Internet 传输到服务端。

服务端再通过内核态从缓存中取出数据。收发消息会在缓存中形成一个消息队列，遵循 **先进先出原则**，后面进来的消息后处理。

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![343815edeec36e46b0903f2a41fccd98.png][]

操作系统的体系架构分为 **用户态和内核态**，内核从本质上讲也一种软件 —— 控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。

用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托内核提供的资源，包括（CPU、存储、I/O资源等）。为了使用户态能访问这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口 —— 系统调用（系统调用是操作系统的最小单位）。

## 9. 服务端循环连接请求来接收信息 ##

### 9.1 当用户输入为空或直接回车时 ###

当用户在 client 端输入为空，或直接输入回车时，client 端与 server 端都开在接收信息处。这是因为 client 端没有真正的信息（0 字节）发送给 server 端，因此 server 端就不会有信息回复。

> 解决办法：在 client 端对用户输入的信息进行判断即可

if not msg:continue		# 如果输入信息为空，那么继续输入

### 9.2 当 client 端异常断开时 ###

当我们直接断开 client 的连接，而非四次挥手时正常断开，发现 server 直接报如下错误：

ConnectionResetError: [WinError 10054] 远程主机强迫关闭了一个现有的连接。

现实情况中，不可能一个 client 端每次不正常断开连接，就导致 server 端直接断开。那么其他的 client 就不能连接 server。

> 解决办法：对 server 端信息接收处使用异常处理

while True:
    	try:
    		data = conn.recv(buffer_size)
    		print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
    		conn.send(data.upper())
    	except Exception:
            break

这样不论 client 端是怎么断开的，都不会导致 server 端断开。

### 9.3 当有多个 client 发起连接时 ###

当有多个 client 发起连接时，遵循 **先进先出** 原则。先连接的 client ，先处理，后发起连接的 client 会被存储到 back\_log 中。back\_log 为链接监听（listen）的最大数目。

每次只能处理一天连接，当处理完毕后就会直接关闭连接，也就是说只能服务一个 client，我们希望的是 server 端能够循环提供服务，显然这不是我们想要的结果。

> 解决办法：对被动接受 client 的连接处进行循环（即 accept）

服务端：

from socket import *
    
    
    # 获取主机名
    host = gethostname()
    # 端口号
    port = 8080
    
    back_log = 5
    buffer_size = 1024
    
    
    tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcp_server.bind((host, port))
    tcp_server.listen(back_log)
    
    while True:			# 循环接收 client 发起的连接
        print('服务端开始运行')
        print(host)
        conn, addr = tcp_server.accept()
    
        while True:		# 循环接收 client 发来的信息，以及发送信息给 client 
            try:		# 对 client 的异常断开进行异常处理
                data = conn.recv(buffer_size)
                print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
                conn.send(data.upper())
            except Exception:
                break
    
        conn.close()
    tcp_server.close()

客户端：

from socket import *
    
    # 获取主机名
    host = gethostname()
    # 端口号
    port = 8080
    
    buffer_size = 1024
    
    tcp_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    tcp_client.connect((host, port))     # 连接服务端
    
    while True:
        msg = input('请输入要发送的信息：').strip()
        if not msg: continue	# 对用户输入的信息进行判断
        tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
        print('---------客户端已经发送消息------------')
        data = tcp_client.recv(buffer_size)
        print('接收到服务端发来的信息', data.decode('utf-8'))
    
    tcp_client.close()

### 9.5 总结 ###

要想 client 与 server 能够自由交互数据，并且 server 能循环提供服务，需要满足如下条件：

*  需要对用户输入的数据进行判断
 *  server 能够处理 client 异常断开时的情况
 *  server 要能够循环接收 client 发起的连接

## 10. socket 函数 ##

**1. 服务端套接字函数**

*  s.bind()：绑定（主机，端口号）到套接字，元组形式
 *  s.listen()：开始 TCP 监听
 *  s.accept()：被动接受 TCP 客户的连接，（阻塞式）等待连接的到来。

**2. 客户端套接字函数**

*  s.connect()：主动初始化 TCP 服务器连接
 *  s.connect\_ex()：connect（）函数的拓展版本，出错时返回出错码，而不是抛出异常

**3. 公共用途套接字函数**

*  s.recv()：接受 TCP 数据
 *  s.send()：发送 TCP 数据（send 在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时，数据丢失，不会发完）
 *  s.sendall()：发送完整的 TCP 数据（本质就是循环调用 send，sendall 在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时，数据不丢失，循环调用 send 直到发完。）
 *  s.recvfrom()：接收 UDP 数据
 *  s.sendto()：发送 UDP数据
 *  s.getpeername()：连接到当前套接字的远端的地址
 *  s.getsockname()：当前套接字的地址
 *  s.getsockopt()：返回指定套接字的参数
 *  s.setsockopt()：设置指定套接字的参数
 *  s.close()：关闭套接字

**面向锁的套接字函数**

*  s.setblocking()：设置套接字的阻塞与非阻塞模式
 *  s.settimeout()：设置阻塞套接字操作的超时时间
 *  s.gettimeout()：得到阻塞套接字操作的超时时间

**面向文件的套接字的函数**

*  s.fileno()：套接字的文件描述符
 *  s.makefile()：创建一个与该套接字相关的文件

> \*\*Tips：\*\*send 一次最大数据最好控制在 8 k 左右，为了避免超过内存大小，可以使用 sendall 方法。其本质是在循环调用 send 方法。

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