TCP网络(超详细)

y大壮
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1、网络传输方式-TCP

这是我参与更文挑战的第12天，活动详情查看： 更文挑战

1.1TCP概念

TCP:英文全拼(Transmission Control Protocol)简称传输控制协议，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议.

TCP通信需要经过创建连接、数据传送、终止连接三个步骤。

面向连接1.png

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""

1.2TCP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。

2. 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

    由发送端计算,然后由接收端验证,其目的是为了检测数据在发送端到接收端之间是否有改动,如果接收方检测到校验和有差错，则直接丢弃这个数据包。

  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。

1.3TCP的优缺点

优点:

  • 可靠，稳定
  • 适合传输大量数据

缺点:

  • 传输速度慢
  • 占用系统资源高

1.4TCP和UDP区别

  1. TCP面向连接; UDP是不面向连接;
  2. TCP提供可靠的数据传输，也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP不保证可靠的数据传输，容易出现丢包情况;
  3. TCP需要连接传输速度慢，UDP不需要连接传输速度快
  4. TCP不支持发广播;UDP支持发广播
  5. TCP对系统资源要求较多，UDP对系统资源要求较少。
  6. TCP适合发送大量数据，UDP适合发送少量数据
  7. TCP有流量控制，UDP没有流量控制

1.5TCP使用场景

当对网络通讯质量有要求的时候，比如：整个数据要准确无误的传递给对方，这往往用于一些要求可靠的应用，比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议，POP、SMTP等邮件传输的协议。

在日常生活中，常见使用TCP协议的应用如下：

  • 浏览器
  • QQ文件传输

1.6UDP网络程序流程

UDP网络程序发送数据不需要建立连接

udpsocket使用流程.png

1.7TCP网络程序流程

TCP网络程序发送数据需要建立连接

tcpsocket.png

TCP客户端

2、TCP客户端代码

示例代码：

# -*- coding: utf-8 -*-
import socket

# 创建tcp socket
tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 目的信息
server_ip = input("请输入服务器ip:")
server_port = int(input("请输入服务器port:"))

# 链接服务器
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：")
# 发送数据
tcp_client_socket.send(send_data.encode("gbk"))

# 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
recvData = tcp_client_socket.recv(1024)
print('接收到的数据为:', recvData.decode('gbk'))

# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()

运行结果：

tcp客户端:

请输入服务器ip:127.0.0.1
请输入服务器port:8080
请输入要发送的数据：嘿，老宋
接收到的数据为: 嘿，老王

网络调试助手:

网络调试助手客户端.PNG

3、TCP服务器

tcp服务器

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：

import socket

# 创建socket
tcp_server_socket = socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 本地信息
address = ('', 9090)

# 绑定
tcp_server_socket.bind(address)


# 设置监听
# 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
# 128:表示最大等待连接数
tcp_server_socket.listen(128)

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

# 接收对方发送过来的数据
recv_data = client_socket.recv(1024)  # 接收1024个字节
print('接收到的数据为:', recv_data.decode('gbk'))

# 发送一些数据到客户端
client_socket.send("thank you !".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了，如果还需要服务，只能再次重新连接
client_socket.close()

运行结果：

TCP服务端

接收到的数据为: 你在么？

网络调试助手：

网络调试助手服务端.PNG

4、TCP的注意点

  1. tcp服务器一般情况下都需要绑定端口号，否则客户端找不到这个服务器
  2. tcp客户端一般不绑定端口号，使用随机生成的端口号即可
  3. 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
  4. 当tcp客户端和服务端建立好连接才可以收发数据，udp是不需要建立连接，直接就可以发送数据
  5. 当一个tcp客户端和服务端连接成功后，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
  6. 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
  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链接服务器，但是之前已经链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，服务器端会recv解堵塞，并且返回的长度为0，因此服务器可以通过返回数据的长度来区别客户端是否已经下线

5、TCP的三次握手

TCP的三次握手流程图

tcp三次握手.png

标志位

SYN: 表示连接请求 ACK: 表示确认 FIN: 表示关闭连接 seq:表示报文序号 ack: 表示确认序号

小结:

  1. 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
  2. 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack (number )=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
  3. 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

6、TCP的4次挥手

TCP的4次挥手流程图

tcp四次挥手.png

小结

  1. 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送。
  2. 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1。
  3. 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送。
  4. 第四次挥手：Client收到FIN后，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1。

结语

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