TCP通信原理與Socket編程

TCP通信原理與Socket編程

進程之間如何實現網絡通信

進程通信的概念最初來源於單機系統，由於每個進程都在自己的地址範圍內運行，爲了保證兩個相互通信的進程之間既互不干擾又能協調一致地工作，操作系統爲進程通信提供了相應的措施，如：

Unix BSD有管道（pipe）、命名管道（named pipe）、軟中斷信號（signal），Unix system V有消息（message）、共享存儲區（shared memory）和信號量（semaphore）等。

但是這些僅限於本機進程之間的通信，進程之間的網絡通信要解決不同主機進程之間相互通信的問題，爲此，首先要解決的是網絡中進程標識的問題。同一主機上，不同進程可以用進程號（process ID）唯一標識，但在網絡環境下，各主機獨立分配的進程號並不能唯一標識該進程。例如，主機A賦予某進程ID爲2363，主機B中也可能存在2363號進程，因此單靠進程ID也就失去了標識的意義。其次，操作系統支持的網絡協議衆多，不同協議的工作方式不同，地址格式也不同，因此，進程之間的網絡通信還要解決多重協議的識別問題。

其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的IP地址可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的協議+端口可以唯一標識主機中的應用程序（進程），這樣利用三元組（協議，IP地址，端口）就可以標識網絡的進程了。使用TCP/IP協議的應用程序通常採用Unix BSD的Socket來實現進程之間的網絡通信。

Socket通信過程

Socket起源於Unix，通常翻譯爲“套接字”，用於描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。Socket是在應用層和傳輸層（TCP/IP協議族）之間的一個軟件抽象層，它把TCP/IP層複雜的操作抽象成一組簡單的接口，供應用層調用，從而實現進程在網絡中通信。

socket抽象層在網絡中的位置：

TCP通信的標準流程一般是，服務器端先初始化Socket，然後與端口綁定（bind），對端口進行監聽（listen），調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然後主動連接服務器（connect），如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，然後把迴應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最後關閉連接，一次交互結束。

Socket通信過程：

Socket服務端

開發步驟

1. 創建服務端端套接字對象
2. 綁定端口號
3. 設置監聽
4. 等待接受客戶端的連接請求
5. 接收數據
6. 發送數據
7. 關閉套接字

import socket

if __name__ == '__main__':
    # 1.創建tcp服務端套接字對象
    # socket()函數的參數說明：
    # AF_INET：協議族參數，AF_INET決定了socket的地址類型爲ipv4地址(32位的)與端口號(16位的)的組合
    # SOCK_STREAM: 套接字類型參數，SOCK_STREAM決定了socket接受數據格式爲stream(流)
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 設置端口號複用，讓服務端程序退出後，端口號立即釋放
    tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True) 
    # 2.給程序綁定端口號
    tcp_server_socket.bind(("", 8989))
    # 3.設置監聽
    # 128表示最大等待建立連接的個數
    # listen後的這個套接字只負責接收客戶端連接請求，不能收發消息，收發消息使用返回的這個新套接字來完成
    tcp_server_socket.listen(128)
    # 4.等待客戶端建立連接的請求, 只有客戶端和服務端建立連接成功代碼纔會解阻塞，代碼才能繼續往下執行
    # 專門和客戶端通信的套接字： service_client_socket
    # 客戶端的ip地址和端口號： ip_port
    service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
    # 代碼執行到此說明連接建立成功
    print("客戶端的ip地址和端口號:", ip_port)
    # 5.接收客戶端發送的數據, 這次接收數據的最大字節數是1024
    recv_data = service_client_socket.recv(1024)
    # 獲取數據的長度
    recv_data_length = len(recv_data)
    print("接收數據的長度爲:", recv_data_length)
    # 對二進制數據進行解碼
    recv_content = recv_data.decode("gbk")
    print("接收客戶端的數據爲:", recv_content)
    # 準備發送的數據
    send_data = "ok".encode("gbk")
    # 6.發送數據給客戶端
    service_client_socket.send(send_data)
    # 關閉服務與客戶端的套接字， 終止和客戶端通信的服務
    service_client_socket.close()
    # 7.關閉服務端的套接字, 終止和客戶端提供建立連接請求的服務
    tcp_server_socket.close()

執行結果

客戶端的ip地址和端口號: ('172.16.47.209', 52472)
接收數據的長度爲: 5
接收客戶端的數據爲: hello

Socket客戶端

開發步驟

1. 創建客戶端套接字對象
2. 和服務端套接字建立連接
3. 發送數據
4. 接收數據
5. 關閉客戶端套接字

import socket

if __name__ == '__main__':
    # 1.創建tcp客戶端套接字對象
    tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 2.和服務端應用程序建立連接
    tcp_client_socket.connect(("192.168.131.62", 8080))
    # 代碼執行到此，說明連接建立成功
    # 準備發送的數據
    send_data = "hello".encode("gbk")
    # 3.發送數據
    tcp_client_socket.send(send_data)
    # 4.接收數據, 這次接收的數據最大字節數是1024
    recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
    # 返回的直接是服務端程序發送的二進制數據
    print(recv_data)
    # 對數據進行解碼
    recv_content = recv_data.decode("gbk")
    print("接收服務端的數據爲:", recv_content)
    # 5.關閉套接字
    tcp_client_socket.close()

執行結果

b'ok'
接收服務端的數據爲: ok

send和recv原理

當創建一個socket對象的時候會有一個發送緩衝區和一個接收緩衝區，這個發送和接收緩衝區指的就是內存分配的一片空間。

不管是send還是recv都不是直接發送數據到對方和接收到對方的數據，發送數據會寫入到發送緩衝區，接收數據是從接收緩衝區來讀取，發送數據和接收數據最終是由操作系統控制網卡來完成。

send和recv原理剖析圖：

TCP三次握手和四次揮手的Socket過程

TCP三次握手

• 服務端調用socket()、bind()、listen()完成初始化後，調用accept()阻塞等待；
• 客戶端Socket對象調用connect()向服務端發送了一個SYN報文並阻塞；
• 服務端完成了第一次握手，即發送SYN+ACK報文應答；
• 客戶端收到服務端發送的應答報文，從connect()返回，再發送一個ACK報文給服務器，完成第二次握手，該應答報文可攜帶客戶端到服務端的數據；
• 服務端Socket對象接收客戶端第三次握手ACK確認，此時服務端從accept()返回，建立連接。

TCP四次揮手

• 某個應用進程調用close()主動關閉，發送一個FIN；
• 另一端接收到FIN後被動執行關閉，併發送ACK確認；
• 之後被動執行關閉的應用進程調用close()關閉Socket，並也發送了一個FIN；
• 接收到這個FIN的一端向另一端ACK確認。