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TCP网络(超详细)

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()
复制代码

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
复制代码

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()
复制代码

运行结果:

TCP服务端

接收到的数据为: 你在么?
复制代码

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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