计算机网络 02：应用层（4）Socket programming with UDP and TCP 网络协议由三个要素

Socket programming with UDP and TCP

网络协议由三个要素组成，分别是语义、语法和时序。

语义是解释控制信息每个部分的含义，它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应；
语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序；
时序是对事件发生顺序的详细说明。

人们形象地将这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

Socket programming

Goal: learn how to build client/server applications that communicate using sockets.

Two socket types for two transport services:

UDP: unreliable datagram(数据报文，数据包)
TCP: reliable, byte stream-oriented(以流为导向)

This photo is a great visual representation of what is going on between the server and the client. In a Connection-oriented system, the server and client send these SYN, SYN-ACK and ACK messages to ensure the packet is successfully received, if this pattern(模式) is broken (i.e. one of these is not sent) then the packet can be re-sent.

UDP 与 TCP 比较

为了更直观地比较 TCP 与 UDP 的异同，笔者将其整理成以下表格：

TCP UDP
连接模式面向连接（单点通信）无连接（多点通信）
传输可靠性可靠不可靠
通信模式基于字节流基于数据报
报头结构复杂（至少 20 字节）简单（8 字节）
传输速度慢快
资源需求多少
到达顺序保证不保证
流量控制有无
拥塞控制有无
应用场合大量数据传输少量数据传输
支持的应用层协议 Telnet、FTP、SMTP、HTTP DNS、DHCP、TFTP、SNMP

	TCP	UDP
连接模式	面向连接（单点通信）	无连接（多点通信）
传输可靠性	可靠	不可靠
通信模式	基于字节流	基于数据报
报头结构	复杂（至少 20 字节）	简单（8 字节）
传输速度	慢	快
资源需求	多	少
到达顺序	保证	不保证
流量控制	有	无
拥塞控制	有	无
应用场合	大量数据传输	少量数据传输
支持的应用层协议	Telnet、FTP、SMTP、HTTP	DNS、DHCP、TFTP、SNMP

Client/server socket: UDP

Properties of UDP:

UDP - Client and Server example programs in Python | Pythontic.com

The UDP does not provide guaranteed(放心的，可靠的) delivery of message packets. If for some issue in a network if a packet is lost it could be lost forever.

Since there is no guarantee of assured(有把握的) delivery of messages, UDP is considered an unreliable protocol.

The underlying mechanisms(底层机制) that implement(实现) UDP involve no connection-based communication. There is no streaming of data between a UDP server or and an UDP Client.

An UDP client can send "n" number of distinct packets to an UDP server and it could also receive "n" number of distinct packets as replies from the UDP server.

Since UDP is connectionless protocol the overhead(负载，开销) involved in UDP is less compared to a connection based protocol like TCP.

UDP 具体实现：

【Python】UDP/TCP_种花家 de 小红帽的博客-CSDN 博客

面向无连接型：无需对端是否存在，发送端可随时发送数据

特点：无连接，资源开销小，传输速度快，每个数据包最大是 64k，适用于广播应用

缺陷：传输数据不可靠，容易丢包；没有流量控制，需要接收方及时接收数据，否则会写满缓冲区

UDP 网络流程

保证 UPD 服务端的正常启动，进入到 recvfrom() 模式，阻塞等到客户端发送数据
开启 UDP 客户端，校准 IP 地址，通过 sendto() 模块进行数据发送
当服务端接收到接收到客户端发送来的数据，进行数据处理，并将应答数据发送给客户端
客户端接收到应答数据，可进行数据处理或重复发送数据，也可退出进程

UDP Serve 服务端

 # coding=utf-8
 from socket import *
 
 # 1. 创建套接字
 udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
 
 # 2. 绑定本地的相关信息，如果一个网络程序不绑定，系统会随机分配
 #    ip地址和端口号，如果不指明ip，则表示本机的任何一个ip
 #    如果不指明端口号，则每次启动都是随机生成端口号
 local_addr = ('', 12345)
 udp_socket.bind(local_addr)
 
 while True:
     # 3. 阻塞等待接收对方发送的信息
     #    1024表示本次接收的最大字节数
     recv_data = udp_socket.recvfrom(1024)
 
     # 4. 显示接收到的数据，并解码为gbk
     print(recv_data)
     print(recv_data[0].decode('utf-8'))
 
     # 5. 发送应答信息
     # ip_addr = recv_data[1][0]
     # port = recv_data[1][1]
     addr = recv_data[1]
     data = '信息已收到'
     udp_socket.sendto(data.encode('utf-8'), addr)
 
 udp_socket.close()

UDP Client 客户端

 import socket
 
 # 1. 创建upd套接字
 udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
 
 # 2. 准备服务端地址与端口号
 #   127.0.0.1 代表自身ip地址，可向自身发送信息，也可指定ip地址发送信息
 #   端口号随便填写一个未被占用的端口即可
 #   Linux环境有65535个端口号，前1024个端口号是系统端口号，系统端口号不能直接使用
 addr = ('127.0.0.1', 12345)
 
 while True:
     # 3. 从键盘获取数据
     data = input('请输入信息：')
 
     # 4. 通过sendto()发送信息到指定进程中
     udp_socket.sendto(data.encode('utf-8'), addr)
 
     # 5. 通过recvfrom()阻塞等待获取应答数据
     recv_data = udp_socket.recvfrom(1024)
 
     # 6. 处理应答数据，进行打印
     print(recv_data)
     print(recv_data[0].decode('utf-8'))
 
 udp_socket.close()

运行结果：（先运行服务端，再运行客户端）

Client/server socket: TCP

【Python】UDP/TCP_种花家 de 小红帽的博客-CSDN 博客

面向有连接型：双方先建立连接才能进行数据传输

特点：

双方都必须为该连接分配系统内核资源

完成数据交换后，双方必须断开连接，以释放系统资源

这种连接是一对一的，不适用于广播应用

TCP 提供可靠的数据传输，无差别、不丢失、不重复，且按序到达

相比于 UPD，TCP 数据传输速度慢、对系统资源要求较高

TCP 适合发送大量数据，UDP 适合发送少量数据

TCP 有流量控制，UPD 无流量控制

TCP 网络流程

TCP Serve 服务端
from socket import *

# 1. 创建tcp套接字
tcp_serve_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 2. 设置socket选项，程序退出后，端口会自动释放
tcp_serve_socket.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, True)

# 3. 本地信息，第二个为端口
addr = ('', 12345)

# 4. 绑定地址
tcp_serve_socket.bind(addr)

# 5. 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
#    参数代表等待连接时间最多60秒
tcp_serve_socket.listen(60)

# 6. 如果有新的客户端来连接服务，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
#    原来的tcp_serve_socket就可以专门用来等待其他新用户的连接
client_socket, client_addr = tcp_serve_socket.accept()

# 7. 阻塞等待客户端发送的信息
recv_data = client_socket.recv(1024)
print("接收到信息：", recv_data.decode('gbk'))

# 8. 发送应答信息
string = '已收到信息'
client_socket.send(string.encode('gbk'))

client_socket.close()
TCP Client 客户端
import socket

# 1. 创建TCP的套接字
tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 2. 目标ip信息
ip = input('请输入服务端ip：')
port = int(input('请输入服务端port：'))

# 3. 连接服务器
tcp_client_socket.connect((ip, port))

# 4. 提示用户输入数据
data = input('请输入要发送的信息：')

# 5. 编码
tcp_client_socket.send(data.encode('gbk'))

# 6. 接收服务端的应答数据
recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
print('收到应答数据：', recv_data.decode('gbk'))

# 7. 关闭套接字
tcp_client_socket.close()
运行结果：

如果忘记设置端口的关闭，非正常退出会导致端口一直被占用

linux 环境在终端执行 ps aux | grep py 查看运行的进程，然后 kill -9 pid 杀掉进程

建立连接（三次握手）

SYN：连接请求 ACK：确认 FIN：关闭连接 seq：报文信号 ack：确认信号

第一次握手：client 标志位 SYN 置 1，随机产生一个 seq=J，并将该数据包发送给 serve，client 进入 SYN_SENT 状态，等待 serve 确认

第二次握手：serve 收到数据包后由标志位 SYN=1 知道 client 请求建立连接，serve 将 SYN 和 ACK 都置 1，ack（number）=J+1，+1 是逻辑加一（加密），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，serve 进入 SYN_RECV 状态

第三次握手：client 收到确认，检查 ack 是否为 J+1（解密），如果正确则将标志位 ACK 置 1，ack=K+1，并将该数据包发送给 serve，serve 检查 ack 是否为 K+1，如果正确则建立连接成功，client 和 serve 同时进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手，随后 client 和 serve 之间可以传输数据

断开连接（四次挥手）

第一次挥手：client 发送一个 FIN，用来关闭 client 到 serve 的数据传送

第二次挥手：serve 收到 FIN 后，发送一个 ACK 给 client，确认序号为收到序号 + 1，表示还有剩余数据未传送完

第三次挥手：serve 发送一个 FIN，用来关闭 serve 到 client 的数据传送

第四次挥手：client 收到 FIN 后，接着发送一个 ACK 给 serve，确认序号为收到信号 + 1

Q: TCP 传输中的 Segment 是什么？

A: 是该协议负责传输的数据单元的专用名词。在 TCP 协议中，分段（segment）是指将传输的数据分割成多个较小的部分，以便更有效地在网络上传输。每个分段包含在 TCP 首部中的控制信息，如端口号、序列号和确认号等，以及在数据字段中携带的有效负载部分。分段的大小可以根据不同的网络条件进行调整，以最大程度地减少重传或延迟。在接收方，TCP 会将收到的分段重新组合成完整的数据，以保证传输的准确性和完整性。