TCP/IP协议 计算机间的通讯，传输socket 传输通道

Posted 2021-01-01 庭明

#! /usr/bin/env python3

# -*- coding:utf-8 -*-

 

#TCP/IP简介

#为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来，就必须规定一套全球通用的协议，为了实现互联网这个目标，互联网协议簇（Internet Protocol Suite)就是

#通用协议标准。Internet 是由inter 和net 两个单词组合起来的，原意就是连接’网络‘的网络，有了Internet,任何私有网络，只要支持这个协议，就可以联入互联网。

#虽然互联网协议包含了上百种协议标准，但是最重要的两个协议是TCP和IP协议，所以，大家把互联网的协议简称TCP/IP协议。

 

#通信的时候，双方必须知道对方的标识，好比发邮件必须知道对方的邮件地址。互联网上每个计算机的唯一标识就是IP地址，类似123.123.123.123

#如果一台计算机同时接入到两个或多个网络，比如路由器，它就会有两个或多个IP地址，所以，IP地址对应的实际上是计算机的网络接口，通常是网卡。

 

#IP协议负责把数据从一台计算机通过网络发送到另一台计算机。数据被分割成一小块一小块，然后通过IP包发送出去。由于互联网链路复杂，两台计算机之间经常有

#多条线路，因此，路由器就负责决定如何把一个IP包转发出去。IP包的特点是按块发送，途经多个路由，但不保证能到达，也不保证顺序到达。

 

#IP地址实际上是一个32位整数（称为IPV4），以字符串表示的IP地址如192.168.0.1实际上是把32位整数按8位分组后的数据表示，以便于阅读。

#IPV6地址实际上是一个128位整数，它是目前使用的IPV4的升级版，以字符串表示类似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334。

#TCP协议则是建立在IP协议上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过握手建立连接，然后，对每个IP包编号，确保

#对方按顺序收到，如果包丢掉了，就自动重发。

#许多常用的更高级的协议都是建立在TCP协议的基础上的，比如用于浏览器的HTTP协议、发送邮件的SMTP协议等。

#一个IP包除了包含要传输的数据外，还包含源IP地址和目标IP地址，源端口和目标端口。

 

#端口有什么作用？在两天计算机通信时，只发IP地址不够，因为同一台计算机上跑着多个网络程序。一个IP包来了后，到底是交给浏览器还是QQ，就需要端口号来区分。

#每个网络程序都向操作系统申请唯一的端口号，这样，两个进程在两台计算机之间建立网络连接就需要各自的IP地址和各自的端口号。

 

#一个进程也可能同时与多个计算机建立链接，因此它会申请很多端口。

 

#TCP编程

 

#Socket是网络编程的一个抽象概念。通常我们用一个Socket表示’打开了一个网络链接‘，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型

#即可。

 

 

 

 

#客户端

#大多数链接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器。

 

#举个例子，当我们在浏览器中访问新浪时，我们自己的计算机就是客户端，浏览器会主动向新浪的服务器发起连接。如果一切顺利，新浪的服务器接受了我们的连接，

#一个TCP连接就建立起来了，后面的通信就是发送网页内容了。

 

#导入socket库

import socket 

#创建一个socket

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#建立连接：

s.connect((‘www.sina.com.cn‘,80))  #参数是一个tuple,包含地址和端口号。

 

#创建Socket时，AF_INET指定使用IPV4协议，如果要用更先进的IPV6，就指定为AF_INET6 。 SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议，这样，一个Socket对象就创建

#成功，但是还没有建立连接。

 

#客户端要主动发起TCP连接，必须知道服务器的IP地址和端口号。新浪网站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自动转换到IP地址，但是怎么知道新浪服务器的端口呢?

#答案是作为服务器，提供什么样的服务，端口号就必须固定下来。由于我们想要访问网页，因此新浪提供网页服务的服务器必须把端口号固定在80端口，因为80端口

#是web服务的标准端口。其他服务都有对应的标准端口号，例如SMTP服务是25端口，FTP服务是21端口，等等。端口号小于1024的是internet标准服务的端口，端口号

#大于1024的，可以任意使用。

 

#建立TCP连接后，我们就可以向新浪服务器发送请求，要求返回首页内容：

 

#发送数据：

s.send(b‘GET / HTTP/1.1\r\nHost:www.sina.com.cn\r\nConnection: close\r\n\r\n‘)

 

#TCP连接创建的是双向通道，双方都可以同时给对方发数据。但是谁先发谁后发，怎么协调，要根据具体的协议来决定。例如，Http协议规定客户端必须先发请求给

#服务器，服务器收到后才发数据给客户端。

 

#发送的文本格式必须符合Http标准，如果格式没问题，接下来就可以接收新浪服务器返回的数据了：

#接收数据

buffer=[]

while True:

    #每次最多接收1k字节：

    d=s.recv(1024)

    if d:

        buffer.append(d)

    else:

        break 

data=b‘‘.join(buffer)

#接收数据时，调用recv(max)方法，一次最多接收指定的字节数，因此，在一个while循环中反复接收，直到recv()返回空数据，表示接收完毕，退出循环。

 

#当我们接收完数据后，调用close()方法关闭Socket,这样，一次完整的网络通信就结束了：

 

#关闭连接：

s.close()

 

#接收到的数据包括HTTP头和网页本身，我们只需要把HTTP头和网页分离一下，把HTTP头打印出来，网页内容保存到文件：

header,html=data.split(b‘\r\n\r\n‘,1)

print(header.decode(‘utf-8‘))

#把接收的数据写入文件：

with open(‘sina.html‘,‘wb‘) as f:

    f.write(html)

 

#现在，只需要在浏览器中打开这个sina.html文件，就可以看到新浪的首页了。

 

#服务器 

#和客户端编程相比，服务器编程就要复杂一些。

 

#服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立Socket连接，随后的通信就靠这个Soket连接了。

#所以，服务器会打开固定端口（比如80）监听，每来一个客户端连接，就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接，所以，服务器要能够区分一个

#Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项：服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket.

#但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求，所以，每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理，否则，服务器一次就只能服务一个客户端了。

#我们来编写一个简单的服务器程序，它接收客户端连接，把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去。

 

#创建一个基于IPV4和TCP协议的Socket:

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#然后我们要绑定监听的地址和端口。服务器可能有多块网卡，可以绑定到某一块网卡的IP地址上，也可以用0.0.0.0绑定到所有的网络地址，还可以用127.0.0.1

#绑定本机地址。127.0.0.1是一个特殊的IP地址，表示本机地址，如果绑定到这个地址，客户端必须同时在本机运行才能连接，也就是说，外部计算机无法连接进来。

 

#端口号需要预先指定。因为我们写的这个服务不是标准服务，所以用9999这个端口号。请注意，小于1024的端口号必须要有管理员权限才能绑定：

 

#监听端口：

s.bind((‘127.0.0.1‘,9999))

#紧接着，调用listen()方法开始监听端口，传入的参数指定等待连接的最大数量：

s.listen(5)

print(‘Waiting for connection...‘)

 

#接下来，服务器程序通过一个永久循环来接收来自客户端的连接，accept()会等待并返回一个客户端的连接：

while True:

    #接收一个新连接：

 sock,addr=s.accept()

 #创建新线程来处理TCP连接：

 t=threading.Thread(target=tcplink,args=(sock,addr))

 t.start()

 #每个连接都必须创建新线程（或进程）来处理，否则，单线程在处理连接的过程中，无法接收其他客户端的连接：

def tcplink(sock,addr):

    print(‘Accept new connection from %s:%s...‘ % addr)

 sock.send(b‘Welcome!‘)

 while True:

     data=sock.recv(1024)

  time.sleep(1)

  if not data or data.decode(‘utf-8‘)==‘exit‘:

      break 

  sock.send((‘Hello,%s!‘ % data.decode(‘utf-8‘)).encode(‘utf-8‘))

 sock.close()

 print(‘Connection from %s:%s closed.‘ %addr)

#连接建立后，服务器首先发一条欢迎消息，然后等待客户端数据，并加上Hello再发送给客户端。如果客户端发送了exit字符串，就直接关闭连接。

#要测试这个服务器程序，我们还需要编写一个客户端程序：

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

#建立连接：

s.connect((‘127.0.0.1‘,9999))

#接收欢迎消息：

print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))

for data in [b‘Michael‘,b‘Tracy‘,b‘Sarah‘]:

    #发送数据：

 s.send(data)

 print(s.recv(1024).decode(‘utf-8‘))

s.send(b‘exit‘)

s.close()

 

#我们需要打开两个命令行窗口，一个运行服务器程序，另一个运行客户端程序，就可以看到效果了：

 

#需要注意的是，客户端程序运行完毕就退出了，而服务器程序会永远运行下去，必须按Ctrl+C退出程序。

 

#用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单，对于客户端，要主动连接服务器的IP和指定端口，对于服务器，要首先监听指定端口，然后对每一个新的连接，

#创建一个线程或进程来处理。通常，服务器程序会无限运行下去。

 

#同一个端口，被一个Socket绑定后，就不能被别的Socket绑定了。