6. TCP 三次握手四次挥手

HTTP 协议是 Hype Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，是用于从万维网（WWW：World Wide Web）服务器（sever）传输超文本到客户端（本地浏览器 client）的传送协议。HTTP 协议基于 TCP/IP 协议之上，HTTPS 基于 TLS/SSL 协议层上，两者都是属于应用层的面向对象的协议。

由上图可知，HTTP 协议工作前需要 client 与 sever 建立连接。该连接由 tcp 来完成，tcp 与 ip 共同组成了 Internet，也就是著名的 TCP/IP 通信协议。

6.1 TCP 简介

TCP（Transmission Control Protocol）全名传输控制协议，是主机对住几层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手来建立一个连接。与 UDP 都是传输层的协议，比 UDP 更可靠，默认端口 80 。

TCP标志位（位码）：

• SYN（synchronous）：建立连接
• ACK（acknowledgement）：确认
• ack：确认号
• PSH（push）：传送
• FIN（finish）：结束
• RST（reset）：重置
• URG（urgent）：紧急
• Sequence number：顺序号码
• Acknowledge number：确认号码

6.2 三次握手

最初两端 TCP 进程都处于关闭状态，client 主动打开连接，server 被动打开连接。大致步骤：client、server 关闭 —— server 收听到 listen —— client 同步已发送状态 SYN-SENT —— server 同步收到状态 SYN_RCVD —— client、server 已建立状态 ESTABLEISHED。

规定：SYN=1 的报文不传输数据，并消耗一个随机序列号。

1、第一次

client 向 server 发送连接请求报文 SYN=1 ，同时生成初始序列化 seq=x，此时 client 进入 SYN-SENT（同步已发送）状态。

2、第二次

server 收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中包含：ACK=1，SYN=1，确认号：ack=x+1（即上一次的seq+1），同时也要为自己随机初始化一个序列号 seq=y。此时 server 进入 SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也没有携带数据，循环 client 是否准备好。

3、第三次

client 收到确认后，向 server 给出确认：ACK=1（与 server 给出的一致），ack=y+1，此时 client 连接建立，进入 ESTABLISHED 状态。这里客户端表示已经准备好了。

6.3 四次挥手

1、第一次

client 发送一个 FIN ，用来结束连接。client 进程发出连接释放报文，并停止发送数据。释放报文首部：FIN=1，序列号 seq=i。

此时 client 进入 FIN_WAIT_1 （终止等待1）状态。

2、第二次

server 收到这个 FIN 后，返回一个 ACK（确认），确认序号：ack=i+1。同时携带自己的序列号 seq=j。

此时， server 进入 CLOSED_WAIT（关闭等待）状态。

并通知高层的应用进程，此时处于半关闭状态，client 没有数据发送了，但 server 若发送数据，client 依然会接收，这种状态还会持续一段时间。

3、第三次

server 将最后的数据发送完毕后，发送一个 FIN（结束），确认序号：ack=i+1，同时携带序号 seq=w，准备 关闭 client 的连接，等待 client 的最后确认。

此时，server 进入 LAST_ACK（最后确认）状态。

4、第四次

client 发送 ACK 确认，并将确认序号+1：ack=w+1，而自己序列号 seq=i+1。

此时，client 进入 TIME_WAIT（时间等待）状态。

**Note：**此时 client 并没有释放，必须等待 2MSL（最长报文段寿命）使君子后，当 server 撤销相应 TCB 后，从进入 CLOSED 状态。server 只要收到了 client 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

为什么会是四次挥手？

三次握手时没有数据传输，而四次挥手时涉及到有数据传输。client 发出关闭请求，表示已经数据传输完毕，但是 server 有可能数据还未传输完毕，这时就需要已 server 端数据是否传输完毕为标准，因此需要四次。

当高并发时，现实情况往往是 server 先断开 client 连接，因为多保存 client 一次连接，就会多占用一些资源。因此在短时间内再次向 server 发起连接，会提示 serve time_wait。

客户端突然挂掉了怎么办？

正常连接时，客户端突然挂掉了，如果没有措施处理这种情况，那么就会出现客户端和服务器端出现长时期的空闲。解决办法是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到

客户端的消息，就将计时器复位。超时时间通常设置为2小时。若服务器超过2小时没收到客户的信息，他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段，每一个相隔75秒，

还没有响应就认为客户端出了故障，因而终止该连接。

参考文章：https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/8470997.html

7. 客户端服务端循环发送信息

之前设计的 socket 程序只能进行一次发送接收就终止掉了，而现实情况不可能只有一次发送与接收，往往都是循环往复，那么就需要给 socket client 和 socket server 添加循环机制。

服务端：

from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
back_log = 5
buffer_size = 1024

tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcp_server.bind(ip_port)
tcp_server.listen(back_log)

print('服务端开始运行')
conn, addr = tcp_server.accept()

while True:
    data = conn.recv(buffer_size)
    print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
    conn.send(data.upper())

conn.close()
tcp_server.close()

服务端开始运行
客户端发来的信息是 python

客户端：

from socket import *


ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
buffer_size = 1024

tcp_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcp_client.connect(ip_port)     # 连接服务端

while True:
    msg = input('请输入要发送的信息：')
    tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
    print('---------客户端已经发送消息------------')
    data = tcp_client.recv(buffer_size)
    print('接收到服务端发来的信息', data.decode('utf-8'))

tcp_client.close()

请输入要发送的信息：python
---------客户端已经发送消息------------
接收到服务端发来的信息 PYTHON
请输入要发送的信息：

8. socket 收发信息原理剖析

socket 客户端和服务端都属于应用层，即用户态层面。它们产生的数据（或从客户端发送到服务端的数据）必须通过内核态调用操作系统，将数据 copy 到内存中（缓存），然后根据 TCP/UDP 协议、通过网卡、Internet 传输到服务端。

服务端再通过内核态从缓存中取出数据。收发消息会在缓存中形成一个消息队列，遵循 先进先出原则，后面进来的消息后处理。

操作系统的体系架构分为 用户态和内核态，内核从本质上讲也一种软件 —— 控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。

用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托内核提供的资源，包括（CPU、存储、I/O资源等）。为了使用户态能访问这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口 —— 系统调用（系统调用是操作系统的最小单位）。

9. 服务端循环连接请求来接收信息

9.1 当用户输入为空或直接回车时

当用户在 client 端输入为空，或直接输入回车时，client 端与 server 端都开在接收信息处。这是因为 client 端没有真正的信息（0 字节）发送给 server 端，因此 server 端就不会有信息回复。

解决办法：在 client 端对用户输入的信息进行判断即可

if not msg:continue		# 如果输入信息为空，那么继续输入

9.2 当 client 端异常断开时

当我们直接断开 client 的连接，而非四次挥手时正常断开，发现 server 直接报如下错误：

ConnectionResetError: [WinError 10054] 远程主机强迫关闭了一个现有的连接。

现实情况中，不可能一个 client 端每次不正常断开连接，就导致 server 端直接断开。那么其他的 client 就不能连接 server。

解决办法：对 server 端信息接收处使用异常处理

while True:
	try:
		data = conn.recv(buffer_size)
		print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
		conn.send(data.upper())
	except Exception:
        break

这样不论 client 端是怎么断开的，都不会导致 server 端断开。

9.3 当有多个 client 发起连接时

当有多个 client 发起连接时，遵循 先进先出 原则。先连接的 client ，先处理，后发起连接的 client 会被存储到 back_log 中。back_log 为链接监听（listen）的最大数目。

每次只能处理一天连接，当处理完毕后就会直接关闭连接，也就是说只能服务一个 client，我们希望的是 server 端能够循环提供服务，显然这不是我们想要的结果。

解决办法：对被动接受 client 的连接处进行循环（即 accept）

服务端：

from socket import *


# 获取主机名
host = gethostname()
# 端口号
port = 8080

back_log = 5
buffer_size = 1024


tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcp_server.bind((host, port))
tcp_server.listen(back_log)

while True:			# 循环接收 client 发起的连接
    print('服务端开始运行')
    print(host)
    conn, addr = tcp_server.accept()

    while True:		# 循环接收 client 发来的信息，以及发送信息给 client 
        try:		# 对 client 的异常断开进行异常处理
            data = conn.recv(buffer_size)
            print('客户端发来的信息是', data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except Exception:
            break

    conn.close()
tcp_server.close()

客户端：

from socket import *

# 获取主机名
host = gethostname()
# 端口号
port = 8080

buffer_size = 1024

tcp_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcp_client.connect((host, port))     # 连接服务端

while True:
    msg = input('请输入要发送的信息：').strip()
    if not msg: continue	# 对用户输入的信息进行判断
    tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))
    print('---------客户端已经发送消息------------')
    data = tcp_client.recv(buffer_size)
    print('接收到服务端发来的信息', data.decode('utf-8'))

tcp_client.close()

9.5 总结

要想 client 与 server 能够自由交互数据，并且 server 能循环提供服务，需要满足如下条件：

• 需要对用户输入的数据进行判断
• server 能够处理 client 异常断开时的情况
• server 要能够循环接收 client 发起的连接

10. socket 函数

1. 服务端套接字函数

• s.bind()：绑定（主机，端口号）到套接字，元组形式
• s.listen()：开始 TCP 监听
• s.accept()：被动接受 TCP 客户的连接，（阻塞式）等待连接的到来。

2. 客户端套接字函数

• s.connect()：主动初始化 TCP 服务器连接
• s.connect_ex()：connect（）函数的拓展版本，出错时返回出错码，而不是抛出异常

3. 公共用途套接字函数

• s.recv()：接受 TCP 数据
• s.send()：发送 TCP 数据（send 在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时，数据丢失，不会发完）
• s.sendall()：发送完整的 TCP 数据（本质就是循环调用 send，sendall 在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时，数据不丢失，循环调用 send 直到发完。）
• s.recvfrom()：接收 UDP 数据
• s.sendto()：发送 UDP数据
• s.getpeername()：连接到当前套接字的远端的地址
• s.getsockname()：当前套接字的地址
• s.getsockopt()：返回指定套接字的参数
• s.setsockopt()：设置指定套接字的参数
• s.close()：关闭套接字

面向锁的套接字函数

• s.setblocking()：设置套接字的阻塞与非阻塞模式
• s.settimeout()：设置阻塞套接字操作的超时时间
• s.gettimeout()：得到阻塞套接字操作的超时时间

面向文件的套接字的函数

• s.fileno()：套接字的文件描述符
• s.makefile()：创建一个与该套接字相关的文件

**Tips：**send 一次最大数据最好控制在 8 k 左右，为了避免超过内存大小，可以使用 sendall 方法。其本质是在循环调用 send 方法。