网络通信协议下的 TCP(三次握手,四次挥手) 和 UDP socket 套接字

互联网的核心就是由一堆协议组成，协议就是标准，标准就是大家都认可的，所有人都按照这个来，这样大家都能够互相了解，互相深入了~~~比如全世界人通信的标准是英语

五层通信流程：

tcp协议：(TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种端点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。)

　　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，双方都可以收发消息) 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。

　　它是可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

　　udp协议：不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

tcp报文

tcp三次握手和四次挥手

　　　　我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。

　　　　UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

　　　　TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

常用的端口号：

　　三次握手：

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。 

　　为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

原因

　　四次挥手：

　　数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。服务端也可以主动关闭，一个流程。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。 
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

　如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

　　　　TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

三次握手：
TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK[1]，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。[1] 
TCP三次握手的过程如下：
客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。
三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

四次挥手：
建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。
(1) 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
(2) 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
(3) 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
(4) 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。[1] 
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。
注意：
(1) “通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。[2] 
(2) 在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。
(3) 当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。
无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。[2] 

为什么是四次挥手，是因为TCP建立的是全双工通道，你和我断了，我还是可以给你发消息的，所以你断了之后，也需要我进行断开链接，所以要进行四次挥手确认。

为什么三次握手但是四次挥手

socket

　　　　我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。

　　　　能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

　　　　socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件

Socket又称为套接字，它是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。当我们使用不同的协议进行通信时就得使用不同的接口，还得处理不同协议的各种细节，这就增加了开发的难度，软件也不易于扩展(就像我们开发一套公司管理系统一样，报账、会议预定、请假等功能不需要单独写系统，而是一个系统上多个功能接口，不需要知道每个功能如何去实现的)。于是UNIX BSD就发明了socket这种东西，socket屏蔽了各个协议的通信细节，使得程序员无需关注协议本身，直接使用socket提供的接口来进行互联的不同主机间的进程的通信。这就好比操作系统给我们提供了使用底层硬件功能的系统调用，通过系统调用我们可以方便的使用磁盘（文件操作），使用内存，而无需自己去进行磁盘读写，内存管理。socket其实也是一样的东西，就是提供了tcp/ip协议的抽象，对外提供了一套接口，同过这个接口就可以统一、方便的使用tcp/ip协议的功能了。

其实站在你的角度上看，socket就是一个模块。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。也有人将socket说成ip+port，因为ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序。 所以我们只要确立了ip和port就能找到一个应用程序，并且使用socket模块来与之通信。

套接字socket的发展史及分类

基于TCP和UDP两个协议下socket的通讯流程

复制代码
import socket
sk = socket.socket()
sk.bind((‘127.0.0.1‘,8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)  #接收客户端信息
print(ret)       #打印客户端信息
conn.send(b‘hi‘)        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)
复制代码

import socket
sk = socket.socket()           # 创建客户套接字
sk.connect((‘127.0.0.1‘,8898))    # 尝试连接服务器
sk.send(b‘hello!‘)
ret = sk.recv(1024)         # 对话(发送/接收)
print(ret)
sk.close()            # 关闭客户套接字

tcp_client.py

socket绑定IP和端口时可能出现下面的问题：

　　　　解决办法：

#加入一条socket配置，重用ip和端口
import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #在bind前加，允许地址重用
sk.bind((‘127.0.0.1‘,8898))  #把地址绑定到套接字
sk.listen()          #监听链接
conn,addr = sk.accept() #接受客户端链接
ret = conn.recv(1024)   #接收客户端信息
print(ret)              #打印客户端信息
conn.send(b‘hi‘)        #向客户端发送信息
conn.close()       #关闭客户端套接字
sk.close()        #关闭服务器套接字(可选)

解决办法

但是如果你加上了上面的代码之后还是出现这个问题：OSError: [WinError 10013] 以一种访问权限不允许的方式做了一个访问套接字的尝试。那么只能换端口了，因为你的电脑不支持端口重用。

　　　　记住一点，用socket进行通信，必须是一收一发对应好。

关于setsockopt可以看这篇文章。关于setsockopt的使用

　　提一下：网络相关或者需要和电脑上其他程序通信的程序才需要开一个端口。

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()  #在这阻塞，等待客户端过来连接
while True:
    ret = conn.recv(1024)  #接收消息  在这还是要阻塞，等待收消息
    ret = ret.decode(‘utf-8‘)  #字节类型转换为字符串中文
    print(ret)
    if ret == ‘bye‘:        #如果接到的消息为bye，退出
        break
    msg = input(‘服务端>>‘)  #服务端发消息
    conn.send(msg.encode(‘utf-8‘))
    if msg == ‘bye‘:
        break

conn.close()
sk.close()

只能与第一个客户端通信server端代码

import socket
sk = socket.socket()
sk.connect((‘127.0.0.1‘,8090)) #连接服务端

while True:
    msg = input(‘客户端>>>‘)  #input阻塞，等待输入内容
    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()

只能与第一个客户端通信client端代码

你会发现，第一个连接的客户端可以和服务端收发消息，但是第二个连接的客户端发消息服务端是收不到的

import socket
from socket import SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
sk = socket.socket()
# sk.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #允许地址重用，这个东西都说能解决问题，我非常不建议大家这么做，容易出问题
sk.bind((‘127.0.0.1‘,8090))
sk.listen()
# 第二步演示，再加一层while循环
while True:    #下面的代码全部缩进进去，也就是循环建立连接，但是不管怎么聊，只能和一个聊，也就是另外一个优雅的断了之后才能和另外一个聊
                #它不能同时和好多人聊，还是长连接的原因，一直占用着这个端口的连接，udp是可以的，然后我们学习udp
    conn,addr = sk.accept()  #在这阻塞，等待客户端过来连接
    while True:
        ret = conn.recv(1024)  #接收消息  在这还是要阻塞，等待收消息
        ret = ret.decode(‘utf-8‘)  #字节类型转换为字符串中文
        print(ret)
        if ret == ‘bye‘:        #如果接到的消息为bye，退出
            break
        msg = input(‘服务端>>‘)  #服务端发消息
        conn.send(msg.encode(‘utf-8‘))
        if msg == ‘bye‘:
            break
    conn.close()

优雅的断开一个client端之后另一个client端就可以通信的代码

import socket
sk = socket.socket()
sk.connect((‘127.0.0.1‘,8090)) #连接服务端

while True:
    msg = input(‘客户端>>>‘)  #input阻塞，等待输入内容
    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()

client端代码

import socket
udp_sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)   #创建一个服务器的套接字
udp_sk.bind((‘127.0.0.1‘,9000))        #绑定服务器套接字
msg,addr = udp_sk.recvfrom(1024)
print(msg)
udp_sk.sendto(b‘hi‘,addr)                 # 对话(接收与发送)
udp_sk.close()                         # 关闭服务器套接字

udp_server.py

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)

udp_client.py

#_*_coding:utf-8_*_
import socket
ip_port=(‘127.0.0.1‘,8081)
udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #DGRAM:datagram 数据报文的意思，象征着UDP协议的通信方式
udp_server_sock.bind(ip_port)#你对外提供服务的端口就是这一个，所有的客户端都是通过这个端口和你进行通信的

while True:
    qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024)# 阻塞状态，等待接收消息
    print(‘来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m‘ %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode(‘utf-8‘)))
    back_msg=input(‘回复消息: ‘).strip()

    udp_server_sock.sendto(back_msg.encode(‘utf-8‘),addr)

server端

#_*_coding:utf-8_*_
import socket
BUFSIZE=1024
udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)

qq_name_dic={
    ‘taibai‘:(‘127.0.0.1‘,8081),
    ‘Jedan‘:(‘127.0.0.1‘,8081),
    ‘Jack‘:(‘127.0.0.1‘,8081),
    ‘John‘:(‘127.0.0.1‘,8081),
}


while True:
    qq_name=input(‘请选择聊天对象: ‘).strip()
    while True:
        msg=input(‘请输入消息,回车发送,输入q结束和他的聊天: ‘).strip()
        if msg == ‘q‘:break
        if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue
        udp_client_socket.sendto(msg.encode(‘utf-8‘),qq_name_dic[qq_name])# 必须带着自己的地址，这就是UDP不一样的地方，不需要建立连接，但是要带着自己的地址给服务端，否则服务端无法判断是谁给我发的消息，并且不知道该把消息回复到什么地方，因为我们之间没有建立连接通道

        back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE)# 同样也是阻塞状态，等待接收消息
        print(‘来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m‘ %(addr[0],addr[1],back_msg.decode(‘utf-8‘)))

udp_client_socket.close()

client端

from socket import *
from time import strftime
import time
ip_port = (‘127.0.0.1‘, 9000)
bufsize = 1024

tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
tcp_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
tcp_server.bind(ip_port)

while True:
    msg, addr = tcp_server.recvfrom(bufsize)
    print(‘===>‘, msg)
    stru_time = time.localtime()  #当前的结构化时间
    if not msg:
        time_fmt = ‘%Y-%m-%d %X‘
    else:
        time_fmt = msg.decode(‘utf-8‘)
    back_msg = strftime(time_fmt,stru_time)
    print(back_msg,type(back_msg))
    tcp_server.sendto(back_msg.encode(‘utf-8‘), addr)

tcp_server.close()

server端

from socket import *
ip_port=(‘127.0.0.1‘,9000)
bufsize=1024

tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)

while True:
    msg=input(‘请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ‘).strip()
    tcp_client.sendto(msg.encode(‘utf-8‘),ip_port)

    data=tcp_client.recv(bufsize)
    print(‘当前日期：‘,str(data,encoding=‘utf-8‘))

client端