Python之網路程式設計(二)
tcp三次握手和四次揮手
我們知道網路層，可以實現兩個主機之間的通訊。但是這並不具體，因為，真正進行通訊的實體是在主機中的程序，是一個主機中的一個程序與另外一個主機中的一個程序在交換資料。IP協議雖然能把資料報文送到目的主機，但是並沒有交付給主機的具體應用程序。而端到端的通訊才應該是應用程序之間的通訊。
UDP，在傳送資料前不需要先建立連線，遠地的主機在收到UDP報文後也不需要給出任何確認。雖然UDP不提供可靠交付，但是正是因為這樣，省去和很多的開銷，使得它的速度比較快，比如一些對實時性要求較高的服務，就常常使用的是UDP。對應的應用層的協議主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。
TCP，提供面向連線的服務，在傳送資料之前必須先建立連線，資料傳送完成後要釋放連線。因此TCP是一種可靠的的運輸服務，但是正因為這樣，不可避免的增加了許多的開銷，比如確認，流量控制等。對應的應用層的協議主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。
三次握手：
1.TCP伺服器程序先建立傳輸控制塊TCB，時刻準備接受客戶程序的連線請求，此時伺服器就進入了 LISTEN（監聽）狀態；
2.TCP客戶程序也是先建立傳輸控制塊TCB，然後向伺服器發出連線請求報文，這是報文首部中的同部位SYN=1，同時選擇一個初始序列號 seq=x ，此時，TCP客戶端程序進入了 SYN-SENT（同步已傳送狀態）狀態。TCP規定，SYN報文段（SYN=1的報文段）不能攜帶資料，但需要消耗掉一個序號。
3.TCP伺服器收到請求報文後，如果同意連線，則發出確認報文。確認報文中應該 ACK=1，SYN=1，確認號是ack=x+1，同時也要為自己初始化一個序列號 seq=y，此時，TCP伺服器程序進入了SYN-RCVD（同步收到）狀態。這個報文也不能攜帶資料，但是同樣要消耗一個序號。
4.TCP客戶程序收到確認後，還要向伺服器給出確認。確認報文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列號seq=x+1，此時，TCP連線建立，客戶端進入ESTABLISHED（已建立連線）狀態。TCP規定，ACK報文段可以攜帶資料，但是如果不攜帶資料則不消耗序號。
5.當伺服器收到客戶端的確認後也進入ESTABLISHED狀態，此後雙方就可以開始通訊了。
四次揮手：
資料傳輸完畢後，雙方都可釋放連線。最開始的時候，客戶端和伺服器都是處於ESTABLISHED狀態，然後客戶端主動關閉，伺服器被動關閉。服務端也可以主動關閉，一個流程。
1.客戶端程序發出連線釋放報文，並且停止傳送資料。釋放資料報文首部，FIN=1，其序列號為seq=u（等於前面已經傳送過來的資料的最後一個位元組的序號加1），此時，客戶端進入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態。 TCP規定，FIN報文段即使不攜帶資料，也要消耗一個序號。
2.伺服器收到連線釋放報文，發出確認報文，ACK=1，ack=u+1，並且帶上自己的序列號seq=v，此時，服務端就進入了CLOSE-WAIT（關閉等待）狀態。TCP伺服器通知高層的應用程序，客戶端向伺服器的方向就釋放了，這時候處於半關閉狀態，即客戶端已經沒有資料要傳送了，但是伺服器若傳送資料，客戶端依然要接受。這個狀態還要持續一段時間，也就是整個CLOSE-WAIT狀態持續的時間。
3.客戶端收到伺服器的確認請求後，此時，客戶端就進入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態，等待伺服器傳送連線釋放報文（在這之前還需要接受伺服器傳送的最後的資料）。
4.伺服器將最後的資料傳送完畢後，就向客戶端傳送連線釋放報文，FIN=1，ack=u+1，由於在半關閉狀態，伺服器很可能又傳送了一些資料，假定此時的序列號為seq=w，此時，伺服器就進入了LAST-ACK（最後確認）狀態，等待客戶端的確認。
5.客戶端收到伺服器的連線釋放報文後，必須發出確認，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號是seq=u+1，此時，客戶端就進入了TIME-WAIT（時間等待）狀態。注意此時TCP連線還沒有釋放，必須經過2∗∗MSL（最長報文段壽命）的時間後，當客戶端撤銷相應的TCB後，才進入CLOSED狀態。
6.伺服器只要收到了客戶端發出的確認，立即進入CLOSED狀態。同樣，撤銷TCB後，就結束了這次的TCP連線。可以看到，伺服器結束TCP連線的時間要比客戶端早一些。
基於TCP和UDP兩個協議下socket的通訊流程
1.TCP和UDP對比
TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向連線的協議（eg:打電話）、傳輸效率低全雙工通訊（傳送快取&接收快取）、面向位元組流。使用TCP的應用：Web瀏覽器；檔案傳輸程式。
UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、無連線的服務，傳輸效率高（傳送前時延小），一對一、一對多、多對一、多對多、面向報文(資料包)，盡最大努力服務，無擁塞控制。使用UDP的應用：域名系統 (DNS)；視訊流；IP語音(VoIP)。
直接看圖對比其中差異
上程式碼感受一下，需要建立兩個檔案，檔名稱隨便起，為了方便看，我的兩個檔名稱為tcp_server.py(服務端)和tcp_client.py(客戶端)，將下面的server端的程式碼拷貝到tcp_server.py檔案中，將下面client端的程式碼拷貝到tcp_client.py的檔案中，然後先執行tcp_server.py檔案中的程式碼，再執行tcp_client.py檔案中的程式碼，然後在pycharm下面的輸出視窗看一下效果。
server端程式碼示例(如果比喻成打電話)
import socket sk = socket.socket() sk.bind(('127.0.0.1',8898)) #把地址繫結到套接字 sk.listen() #監聽連結 conn,addr = sk.accept() #接受客戶端連結 ret = conn.recv(1024) #接收客戶端資訊 print(ret) #列印客戶端資訊 conn.send(b'hi') #向客戶端傳送資訊 conn.close() #關閉客戶端套接字 sk.close() #關閉伺服器套接字(可選)
client端程式碼示例
import socket sk = socket.socket() # 建立客戶套接字 sk.connect(('127.0.0.1',8898)) # 嘗試連線伺服器 sk.send(b'hello!') ret = sk.recv(1024) # 對話(傳送/接收) print(ret) sk.close() # 關閉客戶套接字
socket繫結IP和埠時可能出現下面的問題：
解決辦法：
#加入一條socket配置，重用ip和埠 import socket from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR sk = socket.socket() sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #在bind前加，允許地址重用 sk.bind(('127.0.0.1',8898)) #把地址繫結到套接字 sk.listen() #監聽連結 conn,addr = sk.accept() #接受客戶端連結 ret = conn.recv(1024) #接收客戶端資訊 print(ret) #列印客戶端資訊 conn.send(b'hi') #向客戶端傳送資訊 conn.close() #關閉客戶端套接字 sk.close() #關閉伺服器套接字(可選)
但是如果你加上了上面的程式碼之後還是出現這個問題：OSError: [WinError 10013] 以一種訪問許可權不允許的方式做了一個訪問套接字的嘗試。那麼只能換埠了，因為你的電腦不支援埠重用。
記住一點，用socket進行通訊，必須是一收一發對應好。
提一下：網路相關或者需要和電腦上其他程式通訊的程式才需要開一個埠。
在看UDP協議下的socket之前，我們還需要加一些內容來講：看程式碼
server端
import socket from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR sk = socket.socket() # sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) sk.bind(('127.0.0.1',8090)) sk.listen() conn,addr = sk.accept() #在這阻塞，等待客戶端過來連線 while True: ret = conn.recv(1024) #接收訊息 在這還是要阻塞，等待收訊息 ret = ret.decode('utf-8') #位元組型別轉換為字串中文 print(ret) if ret == 'bye': #如果接到的訊息為bye，退出 break msg = input('服務端>>') #服務端發訊息 conn.send(msg.encode('utf-8')) if msg == 'bye': break conn.close() sk.close()
client端
import socket sk = socket.socket() sk.connect(('127.0.0.1',8090)) #連線服務端 while True: msg = input('客戶端>>>') #input阻塞，等待輸入內容 sk.send(msg.encode('utf-8')) if msg == 'bye': break ret = sk.recv(1024) ret = ret.decode('utf-8') print(ret) if ret == 'bye': break sk.close()
你會發現，第一個連線的客戶端可以和服務端收發訊息，但是第二個連線的客戶端發訊息服務端是收不到的
原因解釋： tcp屬於長連線，長連線就是一直佔用著這個連結，這個連線的埠被佔用了，第二個客戶端過來連線的時候，他是可以連線的，但是處於一個佔線的狀態，就只能等著去跟服務端建立連線，除非一個客戶端斷開了(優雅的斷開可以，如果是強制斷開就會報錯，因為服務端的程式還在第一個迴圈裡面)，然後就可以進行和服務端的通訊了。什麼是優雅的斷開呢？看程式碼。 server端程式碼：import socket from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR sk = socket.socket() # sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #允許地址重用，這個東西都說能解決問題，我非常不建議大家這麼做，容易出問題 sk.bind(('127.0.0.1',8090)) sk.listen() # 第二步演示，再加一層while迴圈 while True: #下面的程式碼全部縮排進去，也就是迴圈建立連線，但是不管怎麼聊，只能和一個聊，也就是另外一個優雅的斷了之後才能和另外一個聊 #它不能同時和好多人聊，還是長連線的原因，一直佔用著這個埠的連線，udp是可以的，然後我們學習udp conn,addr = sk.accept() #在這阻塞，等待客戶端過來連線 while True: ret = conn.recv(1024) #接收訊息 在這還是要阻塞，等待收訊息 ret = ret.decode('utf-8') #位元組型別轉換為字串中文 print(ret) if ret == 'bye': #如果接到的訊息為bye，退出 break msg = input('服務端>>') #服務端發訊息 conn.send(msg.encode('utf-8')) if msg == 'bye': break conn.close()
client端程式碼
import socket sk = socket.socket() sk.connect(('127.0.0.1',8090)) #連線服務端 while True: msg = input('客戶端>>>') #input阻塞，等待輸入內容 sk.send(msg.encode('utf-8')) if msg == 'bye': break ret = sk.recv(1024) ret = ret.decode('utf-8') print(ret) if ret == 'bye': break # sk.close()
強制斷開連線之後的報錯資訊：
總結一下UDP下的socket通訊流程
先從伺服器端說起。伺服器端先初始化Socket，然後與埠繫結(bind)，recvform接收訊息，這個訊息有兩項，訊息內容和對方客戶端的地址，然後回覆訊息時也要帶著你收到的這個客戶端的地址，傳送回去，最後關閉連線，一次互動結束
上程式碼感受一下，需要建立兩個檔案，檔名稱隨便起，為了方便看，我的兩個檔名稱為udp_server.py(服務端)和udp_client.py(客戶端)，將下面的server端的程式碼拷貝到udp_server.py檔案中，將下面cliet端的程式碼拷貝到udp_client.py的檔案中，然後先執行udp_server.py檔案中的程式碼，再執行udp_client.py檔案中的程式碼，然後在pycharm下面的輸出視窗看一下效果。
server端程式碼示例
import socket udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) #建立一個伺服器的套接字 udp_sk.bind(('127.0.0.1',9000)) #繫結伺服器套接字 msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024) print(msg) udp_sk.sendto(b'hi',addr) # 對話(接收與傳送) udp_sk.close() # 關閉伺服器套接字
client端程式碼示例
import socket ip_port=('127.0.0.1',9000) udp_sk=socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM) udp_sk.sendto(b'hello',ip_port) back_msg,addr=udp_sk.recvfrom(1024) print(back_msg.decode('utf-8'),addr)