应用层：TCP 套接字编程

目录

• TCP 协议
• 套接字编程(TCP)
• 打招呼！(程序需求)
• TCPClient
• TCPServer
• 程序测试
• 参考资料

TCP 协议

TCP 协议给使用者提供了两种服务，分别是面向连接的服务和可靠的数据传输服务，我们简单介绍一下。简单来说面向连接的含义是客户机和服务器之间需要建立连接，在位于应用层的数据开始交互之前，TCP 协议首先要先让客户机和服务器进行一次握手。这么做相当于告知彼此接下来需要进行数据的交互，请双方做好准备，具体的实现方式为双方在传输层交互信息。握手阶段结束之后，就能够建立起 TCP 连接，双方应用程序的数据交互完毕之后，还需要切断这个连接。
所谓 TCP 连接是一种逻辑上的连接，它可以提供全双工服务，即应用层数据可以在建立连接的进程之间相互传输。TCP 连接也是点对点的，因为这是针对单个发送方和单个接收方之间的连接。
接下来再看看何谓可靠的数据传输服务，即双方的数据交互在 TCP 协议的保障下，彼此发出的数据能够无差别、按照正确顺序传递给对方。即 TCP 会将发送方通过套接字传出的字节流，在保证字节不发生丢失和出现多余的情况下，将字节流交付给接收方的套接字。

套接字编程(TCP)

由于 TCP 是个面向连接的协议，因此我们就不能简单地直接把工作扔给套接字啦，根据上文的介绍，我们需要先在客户机和服务器之间进行握手，建立 TCP 连接。要创建这个连接，我们就需要将客户机和客户端的 IP 地址和端口号关联到连接上，以此达到关联双方的套接字的目的。
这对服务器和客户机提出了什么要求呢？对于服务器而言，为了能够与客户机的握手阶段达成联系，服务器进程需要能够准备好接受这样的信息，即服务器进程要先开始运行，同时为了能识握手的数据信息，服务器的套接字需要具备这样的功能，我们成这样的套接字叫做欢迎套接字。而客户机呢？客户机需要拥有发起握手的请求的能力。

接下来我们来谈谈 TCP 连接的建立，由于握手是由客户机发起的，因此这个连接的建立是由客户机创建一个 TCP 套接字。这个套接字需要指定服务器具有服务器欢迎套接字的 IP 地址和端口号，紧接着客户机将在运输层发起一个三次握手，当三次握手结束之后 TCP 连接就会被建立。
在三次握手的时候，若欢迎套接字接收到了握手的消息，就会生成一个新的他扑街仔，这个新套接字用于专门对接客户机的套接字，被称之为连接套接字。有了连接套接字，客户机和服务器就像连接了一条管道一样进行数据的交互了。

打招呼！(程序需求)

我们做个基础的玩意，让客户端和服务器互相打个招呼吧！

1. 显示提示信息，客户从利用键盘输入自己的名字；
2. 通过程序，将该数据向服务器发送；
3. 服务器接收该数据并生成一段打招呼信息，例如 “Hello!”；
4. 服务器将数据发回给客户；
5. 客户接收数据并显示返回的数据。

• 下文使用 Python 实现。

TCPClient

我们一步一步来，“巧妇难为无米之炊”，首先我需要一些工具来专门制造套接字，我们就没必要造轮子啦。在 Python 中有个模块是专门用来做这件事情的，名为 “socket” 我们先把它包括进来。

from socket import *

接下来我需要交代接收分组的目的主机，那就分别造 2 个变量来存储就行了。

Name = '名字'    #用字符串来存目的地址，“名字”需要替换为目的地的 IP 地址或域名 
Port = 端口号    #“端口号”需要替换为一个存在的端口，例如 12000，注意不要“串线”

好，接下来我们需要生成一个套接字来工作，直接看代码吧。不过我们现在看这段代码可能是一头雾水的，这是啥？别急，我们学到网络层的时候就会认识 “AF_INET” 和 “SOCK_STREAM” 这两个东西了。简单地说，这段代码制造了一个 TCP 类型的套接字，我们直接先记下来就行。

Socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

接下来我们就要像要求所说的那样，让客户输入他的名字。软件的交互性要好，我们也可以来点提示信息。

print("现在向服务器打个招呼吧！")
sentence = input("Nice to meet you! My name is ")

由于客户机向服务器发送数据时，必须要先在客户机与服务器之间建立一个 TCP 连接，因此我们使用 “.connect()” 方法向服务器发起连接，该方法的参数就是服务器的端地址和对应的端口。执行这句代码之后，经过三次握手就使 TCP 连接连起来了。

Socket.connect((Name,Port))

和 UDP 不同之处在于，我们想要传输的数据不需要结合服务器的 IP 地址打包，因为我们已经经过了三次握手，可以直接利用建立的连接来传输数据。“.send()”方法能够将数据提交到 TCP 连接上，向服务器发送。

Socket.send(sentence.encode())

现在我们发送数据的操作就结束了，接下来就需要接受数据。等待服务器将数据发回来，我们使用“.recv()”方法可以帮助我们接受，然后我们打印出来。

sentence = Socket.recv(1024)
print(sentence.decode())

还记得我们读取文件时，完成操作后要做什么吗？那就是关闭文件，这是一个好习惯。对于套接字也是如此，我们也要养成好习惯，一个进程使用完了之后就把它关闭掉。“.close()” 方法就能实现这个功能了。到此，程序编写结束!

Socket.close()

TCPServer

刚刚我们写的是客户端的 Python 程序，现在我们来写一下服务器端的程序。一步一步来，首先我们还是先把 “socket” 模块包括进来。

from socket import *

接下来我们要指定一下端口号，表示我服务器的套接字只接受某个端口传来的信息，体现一个“门当户对”！我们用一个变量来存下端口号，然后和上文一样，也得造一个套接字出来，我们通过 “.bind()” 方法把端口号绑定给这个套接字。注意这个时候造的是欢迎套接字。

Port = 端口号    #“端口号”需要替换为一个存在的端口，例如 12000，注意不要“串线”
serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
Socket.bind(('',Port))

当我们创建好欢迎套接字之后，就要准备好接收握手的请求了。使用“.listen()”方法可以接受这样的请求，方法的参数定义的是请求连接的最大数(至少为 1）。

Socket.listen(1)

为了表示上述操作顺利实现，我们输出一个提示信息。

print("准备就绪，可以接收分组！")

作为一个服务器，我们肯定不是仅仅接收一次分组啦，肯定是不停地准备着相应送来的报文啦，也就是说我这个服务器是要持续保证在工作状态。我们使用一个死循环 “while true” 实现，注意这个时候死循环是不会太消耗资源的，因为接下来的语句之后读取到了分组之后才会有所行动。
当客户机开始发送握手请求时，欢迎套接字可以使用“.accept()”来接受这个请求，同时生成一个“连接套接字”给这个客户机单独使用，握手完成后就可以通过建立的 TCP 连接进行信息交互了。

while True:
    connectionSocket,addr = Socket.accept()
    sentence = connectionSocket.recv(1024).decode()
    backSentence = "Hello, " + sentence.upper() + "! My name is Han Meimei."
    connectionSocket.send(backSentence.encode())
    connectionSocket.close()

每完成和客户机的信息交互，就要把连接套接字关闭，但是服务器可以保持打开状态，以此接收下一次握手的请求。有小伙伴会问了，那这个死循环什么时候停止呢？那多简单，不想用的时候直接把程序关了就好了喽！

程序测试

由于我没有小伙伴陪我，我只好在一台机子做测试喽。前文提到我们需要保证服务器程序先保持运行状态，再发送字节，如果服务器没运行呢？

“积极拒绝！”由此可见，没有运行服务器程序的话是不行的。所以我们先把服务端程序 “TCPServer.py” 启动起来。

看到提示信息，证明服务器启动很成功，接下来启动客户端程序。

这回总算可以了，我们开始打招呼吧！

程序完成了我们的需求！

参考资料

《计算机网络》 谢希仁 编著，电子工业出版社
《计算机网络 自顶向下方法》 [美] James F.Kurose,Keith W.Ross 著，陈鸣 译，机械工业出版社
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