从TCP到Socket，彻底理解网络编程是怎么回事

进行程序开发的同学，无论Web前端开发、Web后端开发，还是搜索引擎和大数据，几乎所有的开发领域都会涉及到网络编程。比如我们进行Web服务端开发，除了Web协议本身依赖网络外，通常还需要连接数据库，而数据库连接通常是通过网络连接数据库服务器，或者数据库集群，如果负载太高还要搞个缓存集群。

我们在上学的时候基本学了网络编程和网络协议。但两者之间的具体关系可能有些摸不到头脑。这里我们首先重点介绍2个概念，一个概念是网络编程，另外一个是协议。

我们知道网络协议是一个分层的协议族，也就是是有一组协议构成，从下往上各自负责各自的功能。那什么是协议呢？协议的字面意思是共同计议，商议。简单的理解其实就是多方进行沟通的规定。而网络协议其实就是在网络中多个计算节点进行交互、沟通的规定。如果根我们日常生活对比的话，协议可以理解为语言，比如汉语普通话。两个人交流如果都用不通话，那么彼此都能理解对方表达的意图。例如，一个人用四川话，而另外一个用浙江话，那沟通起来估计几乎不太可能。网络协议也是一样的，通过对数据格式的规范化，从而使计算机之间能够彼此明确对方的意图。

下面本文介绍一下网络编程，网络编程也称为socket编程，socket通常译作“套接字”，但原意其实意译应该为”接口“。也就是操作系统提供给开发人员进行网络开发的API接口。这套接口通常可以参数的调整支持多种协议，包括TCP、UDP和IP等等。下面本文从套接字编程和协议两方面分别详细的进行介绍。

网络编程

为了便于理解，本文先从具体的内容开始，也就是通过一个实例介绍一下网络编程是怎么回事。

本文将以TCP协议为例介绍网络编程和协议之前的关系。为了简单，便于理解，本文以Python为例进行介绍，如果不了解Python编程语言关系也不大，下面代码很容易理解。我们知道在网络通信中无论是BS架构还是CS架构，通常分为服务端和客户端，只不过BS架构中的浏览器就是客户端。因此，本文的示例也包含服务端和客户端2部分的代码。代码功能很简单，就是实现客户端和服务端发送字符串。

图1 客户端服务端通信模型

这个代码清单是服务端的代码，这段代码的作用就是在服务端的某个端口建立监听，并等待客户端建立连接。完成连接建立后，等待客户端发送数据，并将数据回传给客户端。

#!/usr/bin/env python3
#-*- coding:utf-8 -*-
from socket import *
from time import ctime
host = ''
port = 12345
buffsize = 2048
ADDR = (host,port)
# 创建一个基于TCP协议的套接字
tctime = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tctime.bind(ADDR)
# 在指定的地址和端口监听
tctime.listen(3)
while True:
 print('Wait for connection ...')
 tctimeClient,addr = tctime.accept()
 print("Connection from :",addr)
 while True:
 data = tctimeClient.recv(buffsize).decode()
 if not data:
 break
 tctimeClient.send(('[%s] %s' % (ctime(),data)).encode())
 tctimeClient.close()
tctimeClient.close()

阅读服务端的代码可以看出主要包括，socket、bind、listen、accept、recv和send几个。其中值得关注的是listen和accept，两者分别用于监听端口和接受客户端的连接请求。

下面代码清单是客户端的实现，这里特别的地方是有一个connect函数，该函数实现与服务端建立连接。

#!/usr/bin/env python3
#-*- coding:utf-8 -*-
from socket import *
HOST ='localhost'
PORT = 12345
BUFFSIZE=2048
ADDR = (HOST,PORT)
tctimeClient = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tctimeClient.connect(ADDR)
while True:
 data = input(">")
 if not data:
 break
 tctimeClient.send(data.encode())
 data = tctimeClient.recv(BUFFSIZE).decode()
 if not data:
 break
 print(data)
tctimeClient.close()

通过上述示例代码可以看出服务端通常是被动的，而客户端则要主动一些。服务端程序建立对某个端口的监听，等待客户端的连接请求。客户端向服务端发送连接请求，不出意外的情况下连接建立成功，这时客户端和服务端之前就可以互发数据了。当然，在实际生产环境中意外是经常的，因此从协议和接口层面，需要处理各种意外，本文在协议部分将详细介绍。

另外，本文实现了一个基本的客户端和服务端通信的程序，这个模式的通信在实际生产中几乎不再使用。在实际生产中为了提高数据传输和处理的效率，通常采用异步模式，这些内容超出了本文的介绍范围，后续文章会逐渐介绍。

TCP协议详解

前文说了网络协议是网络中不同计算机信息通信的语言，为了实现交互，这个语言就需要有一定的格式。本文以TCP协议为例进行介绍。

TCP协议是一个可靠的传输协议，其可靠性表现在2方面，一方面是保证数据包可以按照发送的顺序到达，另外一方面是保证数据包一定程度的正确性（后文详解为什么是一定程度上的正确性）。其可靠性的实现则基于2点技术，一点是具有一个CRC校验，这样如果数据包中的某些数据出现错误可以通过该校验和发现；另外一点是每个数据包都有一个序号，这样就能保证数据包的顺序性，如果出现错位的数据包可以请求重发。

既然说到了格式，那我们先看一下TCP数据包的数据格式。如下图是TCP数据包的格式，包括原端口、目的端口、序列号和标识位等等内容，内容有些多，看着可能有点眼花。但从大的方面理解，这个数据包其实只包含2部分内容，一个是包头，另外一个则是具体需要传输的数据。在TCP协议的控制逻辑中，包头起着最为关键的作用，它是TCP协议中诸如建立连接、断开连接、重传和错误校验等各种特性的基础。

图2 TCP数据包格式

包头的其它信息的含义都比较明了，本文仅仅介绍几个标志位（URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN）的含义。具体含义如下：

• ACK: 确认序号有效。
• RST：重置连接
• SYN：发起一个新连接
• FIN：释放一个连接

连接的建立

TCP在具体传输数据之前需要建立连接。这里的连接并不是物理连接，物理连接基于底层的协议已经建立完成，而且TCP建立连接也是要假设底层连接已经成功，TCP的连接其实是一个虚拟的，逻辑的连接。简单粗暴的理解，就是客户端和服务端分别记录了各自接受到的数据包的序号，并且将自身设置为某种状态。在TCP协议中，连接的建立通常成为3次握手，从字面的概念可以看出，连接的建立需要经过3次确认的过程。

图3 建立连接的3次握手

TCP协议3次握手的过程如图所示，初始状态客户端和服务端都处于关闭状态。主要过程分为3步：

1. 客户端发送预连接数据包： TCP的连接是由客户端主动发起建立，客户端会发送一个数据包（报文）给服务端，需要注意的是数据包中的SYN标识位为1。我们前文已经介绍，如果SYN为1，则说明为建立连接的数据包。同时，在该数据包中包含一个请求序列号，该序列号也是建立连接的依据。
2. 服务端回复连接确认： 服务端确认可以建立连接（服务端不一定可以建立连接，因为系统中套接字的数量是有限的）的情况下会向客户端发送一个应答数据包。在应答数据包中会将ACK标志位设置为1，表示为服务端应答数据包。同时，在应答数据包中会设置请求序列号和应答序列号的值，具体参考图3.
3. 客户端回复连接确认： 最后，客户端再次发送一个连接确认数据包，告诉服务端连接建立成功。

从上面流程可以看出，连接的建立需要经过多次交互，这就是我们日常中所说的建立连接是高成本的操作。在实际生产环境中，为了应对这个问题，会减少连接建立的频度，通常的做法是建立连接池，传输数据时直接从连接池中获取连接，而不是新建连接。

有人可能觉得可以对建立连接的过程进行优化，比如将客户端最后一次的确认取消掉，觉得这个没有卵用。对于正常情况确实没有多大的作用，这里主要是应对异常情况。因为网络拓扑是非常复杂的，特别是在广域网中，有着数不清的网络节点，因此会出现各种异常情况。因此，TCP协议在设计的时候必须要保证异常情况下的可靠性。

我们这里举一个例子，就是连接请求超时的情况。假设客户端向服务端发送一个连接请求，由于各种原因，请求一直没有到达服务端，因此服务端也就没有回复连接确认消息。客户端连接超时，因此客户端重新发送一个连接请求到服务端，这次比较顺利，很快到达了，并且顺利建立了连接。之后，前一个数据包经过长途跋涉最终还是到了服务端，服务端也向客户端发送了回复数据包，服务端认为连接是建立成功的，并且会维持连接。但客户端层面认为连接是超时的，因此将永远不会关闭该连接。这样就会造成服务端有残留的资源，从而造成服务端资源浪费，久而久之可能会导致服务端无新连接资源可用。

另外一个需要说明的是客户端和服务端的套接字都有相应的状态，而且状态会随着连接的不同阶段变化。初始状态都是CLOSE，最终连接建立成功后都是ESTABLISHED,具体变化过程如图3所示。后面本文会详细介绍状态变化情况。

传输数据

完成连接建立之后，客户端和服务端就可以进行数据传输了。我们知道TCP是可靠的传输，那么传输的可靠性是通过什么来保证的呢？主要就是通过包头中的校验和、请求序列号和应答序列号（参考图2）。

TCP数据内容的可靠性是通过校验和保证的。TCP在发送数据时都会计算整个数据包的校验和，并存储在包头的校验和字段中。接收方会按照规则进行计算，从而确认接收到的数据是否是正确的。发送发计算校验和的流程大概如下：

1. 把伪首部、TCP包头和TCP数据分为16为的字，并把TCP包头中的校验和字段置0
2. 用反码加法累加所有16位数字
3. 对计算结果去反，将其填充到TCP包头的校验和字段

接收方将所有原码相加，高位叠加，如果全为1则表示数据正确，否则说明数据有错误。

TCP数据包顺序的可靠性是通过请求序列号和应答序列号保证的。在数据传输中的每个请求都会有一个请求序列号，而在接收方接收到数据后会发送一个应答序列号，这样发送方就能知道数据是否被正确接收，而接收方也能知道数据是否出现乱序，从而保证数据包的顺序性。

断开连接

TCP关闭连接分为4步，称为4次挥手。连接的关闭不一定是在客户端发起，服务端也可以发起关闭连接。关闭连接的过程如下：

1. 发起方发送一个FIN置位的数据包,用来请求关闭发送方到接收方的连接
2. 接收方发送一个应答，ACK标志位为1，确认关闭。此时完成了发起方到接收方的连接，也即发送方无法再向接收方发送数据，但接收方还可以向发送方发送数据。
3. 接收方数据传输完成后向发起方发送一个FIN为1的包，表示请求断开连接
4. 发起方回复一个ACK包，确认关闭成功

图4 关闭连接流程示意图

TCP是全双工通信，因此关闭连接时需要双向关闭连接。首先是关闭发起方关闭本端的连接，然后是关闭接收方在收到发起方的关闭请求后，除了回复关闭应答外，还要确保数据传输完成后发起一个关闭连接的请求，保证双向同时关闭。

截止到这里，本文介绍了基于TCP协议进行网络编程的主要内容。当然这个只是入门级的，如果需要真正理解TCP协议和网络编程还需要学习很多内容。