TCP/UDP协议、理解三次握手四次挥手、Socket

一、什么是socket？

中文名叫套接字，是对底层的 TCP IP UDP 等网络协议进行封装，使得上层的应用程序开发者,不用直接接触这对复杂,丑陋的协议。

在程序员的言论,他就是一个封装好的模块，要完成网络通讯，只需要使用系统提供的socket模块就行，我们通过调用模块中已经实现的方法建立两个进程之间的

连接和通信。

了解socket层：

二、套接字的发展史

套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。 因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同 一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。

 基于文件类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_UNIX

unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信

 基于网络类型的套接字家族

套接字家族的名字：AF_INET

(还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET

三、TCP和UDP协议

TCP（Transmission Control Protocol）可靠的、面向连接的协议（eg:打电话）、传输效率低全双工通信（发送缓存&接收缓存）、面向字节流。使用TCP的应用：Web浏览器；电子邮件、文件传输程序

UDP（User Datagram Protocol）不可靠的、无连接的服务，传输效率高（发送前时延小），一对一、一对多、多对一、多对多、面向报文，尽最大努力服务，无拥塞控制。使用UDP的应用：域名系统 (DNS)；视频流；IP语音(VoIP)

 conclusion：

TCP和UDP是传输层最常见的协议，主要控制传输数据的方式。
TCP：
优点:通过三次握手来与服务器建立连接，可以保证数据的完整性。
a机器给b机器发送数据包 要求b机器必须立即返回一个确认包
a机器会等待一段时间,如果超时还没有收到确认,则重发数据

缺点:传输效率低
使用场景: 文字聊天,支付宝转账等,

UDP：
传输方式:不需要建立连接,直接发送
缺点: 不能保证数据的完整性
优点:传输效率比TCP高
使用场景:视频通话,语音通话,UDP

python中的socket，在使用socket的时候用户需要关心的是 ip地址,port端口, 传输协议TCP/UDP,你要发送的数据data，在写网络编程的时候,必然是有两台代码, 对应着客户端和服务器，使用socket来完成TCP通讯，应该先完成服务器的代码编写。

重点理解TCP协议中三次握手、四次握手的概念：

当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止。

三次握手示意图：

step1:第一次握手
建立连接时，客户端发送SYN包到服务器，其中包含客户端的初始序号seq=x，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。（其中，SYN=1，ACK=0，表示这是一个TCP连接请求数据报文；序号seq=x，表明传输数据时的第一个数据字节的序号是x）。

step2:第二次握手
服务器收到请求后，必须确认客户的数据包。同时自己也发送一个SYN包，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。（其中确认报文段中，标识位SYN=1，ACK=1，表示这是一个TCP连接响应数据报文，并含服务端的初始序号seq(服务器)=y，以及服务器对客户端初始序号的确认号ack(服务器)=seq(客户端)+1=x+1）。

step3:第三次握手
客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送一个序列号(seq=x+1)，确认号为ack(客户端)=y+1，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTAB_LISHED(TCP连接成功)状态，完成三次握手。

为什么需要三次握手，两次不可以吗？或者四次、五次可以吗？ 
我们来分析一种特殊情况，假设客户端请求建立连接，发给服务器SYN包等待服务器确认，服务器收到确认后，如果是两次握手，假设服务器给客户端在第二次握手时发送数据，数据从服务器发出，服务器认为连接已经建立，但在发送数据的过程中数据丢失，客户端认为连接没有建立，会进行重传。假设每次发送的数据一直在丢失，客户端一直SYN，服务器就会产生多个无效连接，占用资源，这个时候服务器可能会挂掉。这个现象就是我们听过的“SYN的洪水攻击”。 

conclusion：

第三次握手是为了防止：如果客户端迟迟没有收到服务器返回确认报文，这时会放弃连接，重新启动一条连接请求，但问题是：服务器不知道客户端没有收到，所以他会收到两个连接，浪费连接开销。如果每次都是这样，就会浪费多个连接开销。

四次挥手示意图：

step1：第一次挥手
首先，客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送，然后等待服务器的确认。其中终止标志位FIN=1，序列号seq=u。

step2：第二次挥手
服务器收到这个FIN，它发送一个ACK，确认ack为收到的序号加一。

step3：第三次挥手
关闭服务器到客户端的连接，发送一个FIN给客户端。

step4：第四次挥手
客户端收到FIN后，并发回一个ACK报文确认，并将确认序号seq设置为收到序号加一。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

客户端发送FIN后，进入终止等待状态，服务器收到客户端连接释放报文段后，就立即给客户端发送确认，服务器就进入CLOSE_WAIT状态，此时TCP服务器进程就通知高层应用进程，因而从客户端到服务器的连接就释放了。此时是“半关闭状态”，即客户端不可以发送给服务器，服务器可以发送给客户端。
此时，如果服务器没有数据报发送给客户端，其应用程序就通知TCP释放连接，然后发送给客户端连接释放数据报，并等待确认。客户端发送确认后，进入TIME_WAIT状态，但是此时TCP连接还没有释放，然后经过等待计时器设置的2MSL后，才进入到CLOSE状态。

为什么需要2MSL时间？
首先，MSL即Maximum Segment Lifetime，就是最大报文生存时间，是任何报文在网络上的存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。《TCP/IP详解》中是这样描述的：MSL是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒、1分钟、2分钟等。

TCP的TIME_WAIT需要等待2MSL，当TCP的一端发起主动关闭，三次挥手完成后发送第四次挥手的ACK包后就进入这个状态，等待2MSL时间主要目的是：防止最后一个ACK包对方没有收到，那么对方在超时后将重发第三次握手的FIN包，主动关闭端接到重发的FIN包后可以再发一个ACK应答包。在TIME_WAIT状态时两端的端口不能使用，要等到2MSL时间结束才可以继续使用。当连接处于2MSL等待阶段时任何迟到的报文段都将被丢弃。

为什么是四次挥手，而不是三次或是五次、六次？
双方关闭连接要经过双方都同意。所以，首先是客服端给服务器发送FIN，要求关闭连接，服务器收到后会发送一个ACK进行确认。服务器然后再发送一个FIN，客户端发送ACK确认，并进入TIME_WAIT状态。等待2MSL后自动关闭。

conclusion：

1、为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器。即最后一个确认报文可能丢失，服务器会超时重传，然后服务器发送FIN请求关闭连接，客户端发送ACK确认。一个来回是两个报文生命周期。

如果没有等待时间，发送完确认报文段就立即释放连接的话，服务器就无法重传，因此也就收不到确认，就无法按步骤进入CLOSE状态，即必须收到确认才能close。
2、防止已经失效的连接请求报文出现在连接中。经过2MSL，在这个连续持续的时间内，产生的所有报文段就可以都从网络消失。

四、socket初使用（用代码去实现）

基于TCP协议的socket

sever端

import socket
# 1.创建一个代表服务器的socket对象
s = socket.socket()

# 2.绑定IP地址和端口号（一般8000以后）
# 127.0.0.1 表示当前这个电脑的ip
address = ("127.0.0.1",8080)
s.bind(address)

print("服务器已启动!")

# 3.开始监听这个端口
# 5表示 可以有5个处于半连接状态的连接   指的不是最大连接数
s.listen(5)
print("test")

# 4.接受连接请求
# 该函数是阻塞的 会卡主程序的执行,必须等到有一个客户端进来才会继续执行
# 返回元组  第一个是代表客户端的socket对象 第二客户端的地址信息
client,c_address = s.accept()
print("有一个连接已建立!")
print(c_address)

# 5.读写数据
# 接受数据
res = client.recv(1024)
print(res)

# 6.关闭连接
# s.close()

client端

import socket

# 1.创建客户端的socket对象
c = socket.socket()

# 2.指定服务器的ip和port
server_address = ("127.0.0.1",8080)

# 3.建立连接
c.connect(server_address)

# 4.读写数据
# 发送数据到服务器
c.send("hello 我是客户端!".encode("utf-8"))

# 5.关闭连接
c.close()

基于UDP协议的socket

server端

import socket
# 1.创建socket对象
s = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

# 2.绑定端口和ip
s.bind(("127.0.0.1",10000))

while True:
    # 3.接受数据
    res = s.recv(1024)
    print(res)

while True:
    msg = input(">>>:")
    # 需要获取对方的ip和端口
    #s.sendto(msg.encode("utf-8"), ("127.0.0.1", 10000))

# 关闭资源
s.close()

client端

import socket
# 1.创建socket对象
c = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)
while True:
    msg = input(">>>:")
    c.sendto(msg.encode("utf-8"),("127.0.0.1",10000))

c.close()

输出结果

client端：

>>>>>:hello
>>>>>:world
>>>>>:

sever端：

b'hello'
b'world'

练习：模拟一个qq多人聊天(由于udp无连接，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信)

client1端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author:Wwl

import socket

udp_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dict = {
    'Taylor': ('127.0.0.1', 8081),
    'lana': ('127.0.0.1', 8081),
    'Sia': ('127.0.0.1', 8081)
}
while True:
    qq_name = input('请选择你要聊天的对象：').strip()
    while True:
        msg = input('请输入信息').strip()
        if msg == 'q': break
        udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'), qq_name_dict[qq_name])

        back_msg, addr = udp_client.recvfrom(1024)
        print('收到来自%s %s 的消息%s' % (addr[0], addr[1], back_msg.decode('utf-8')))

udp_client.close()

client2端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author:Wwl

import socket

udp_client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dict = {
    'Taylor': ('127.0.0.1', 8081),
    'lana': ('127.0.0.1', 8081),
    'Sia': ('127.0.0.1', 8081)
}
while True:
    qq_name = input('请选择你要聊天的对象：').strip()
    while True:
        msg = input('请输入信息').strip()
        if msg == 'q': break
        udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'), qq_name_dict[qq_name])

        back_msg, addr = udp_client.recvfrom(1024)
        print('收到来自%s %s 的消息%s' % (addr[0], addr[1], back_msg.decode('utf-8')))

udp_client.close()

同client1端

sever端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author:Wwl

import socket
udp_server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
udp_server.bind(('127.0.0.1',8081))

while True:
    qq_msg,addr = udp_server.recvfrom(1024)

    print('来自[%s:%s]的一条消息：%s'%(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8')))
    back_qq_msg = input('请输入：').strip()
    udp_server.sendto(back_qq_msg.encode('utf-8'),addr)