socket实现TCP/IP通信

1.在开始之前

1.1 TCP/IP协议

1.1.1 TCP/IP概述

在互联网通信中,计算机之间的通信需要依赖互联网通信协议,常见的网络通信协议有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议等。TCP/IP就是其中一个网络通信协议,而我们今天要利用的socket就是依赖TCP/IP完成通信的。

实际上,TCP/IP并不是单独一个协议,而是一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇, 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性,所以被称为TCP/IP协议。

在网络通信协议中,TCP/IP的优势在于具有很强的灵活性,支持任意规模的网络,几乎可连接所有服务器和工作站。在使用TCP/IP协议时需要进行复杂的设置,每个结点至少需要一个“IP地址”、一个“子网掩码”、一个“默认网关”、一个“主机名”。

1.1.2 TCP/IP协议组成

TCP/IP在一定程度上参考了OSI模型和DoD模型,所以其组成一定程度上与二者十分相似。而在TCP/IP中,分层被分为四个部分,分别是应用层、传输层、网络层和数据链路层。

下图展示了四个部分分别对应的TCP/IP协议簇中的几个不同协议

1.应用层

应用层是TCP/IP中的第一层,是直接为应用进程提供服务的。对不同种类的应用程序它们会根据自己的需要来使用应用层的不同协议,比如邮件使用的SMTP协议,万维网的http协议。

应用层能加密、解密、格式化数据,还可以建立或解除与其他节点的联系,这样可以充分节省网络资源。

2.运输层

运输层是TCP/IP的核心层,TCP协议的UDP协议共同组成了TCP/IP的运输层

3.网络层

网络层:网络层在TCP/IP协议中的位于第三层。在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能

4.网络接口层

在TCP/IP协议中,网络接口层位于第四层。由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层。所以,网络接口层既是传输数据的物理媒介,也可以为网络层提供一条准确无误的线路。

1.1.3 TCP协议

TCP即传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。简单来说TCP就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认,如果有一个数据包丢失,就收不到确认,发送方就必须重发这个数据包。为了保证传输的可靠性。

TCP协议在UDP基础之上建立了三次对话的确认机制,即在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。TCP数据包和UDP一样,都是由首部和数据两部分组成,唯一不同的是,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。

1.2 socket套接字

1.2.1 socket概述

套接字是通信的基石,是支持TCP/IP协议的路通信的基本操作单元。

可以将套接字看作不同主机间的进程进行双间通信的端点,它构成了单个主机内及整个网络间的编程界面。套接字存在于通信域中,通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信而引进的一种抽象概念。套接字通常和同一个域中的套接字交换数据(数据交换也可能穿越域的界限,但这时一定要执行某种解释程序),各种进程使用这个相同的域互相之间用Internet协议簇来进行通信

1.2.2 socket工作流程

1.服务器监听

服务器首先启动监听端口动态,监听端口的连接请求

2.客户端发起请求

客户端将向目标Ip的指定端口发起请求。为此,客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套接字的地址和端口号,然后就向服务器端接字提出连接请求

3.连接确认,建立连接

当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求,就会响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,并把服务器端套接字的描述发送给客户端。一旦客户端确认了此描述,连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态,接收其他客户端套接字的连接请求

1.2.3 socket()函数

对于C/C++,socket函数一般在WinSock2.h和WinSock.h库中,开发者可通过在头文件中声明

#include<WinSock2.h>

以引入WinSock2库。

对于python,开发者可以通过

import socket
import sys

2.Python实现Socket通信

由于Python的Socket较容易理解,我们在这里使用Python入门Socket编程

2.1 Python中的Socket函数

Socket()格式如下

socket.socket([family[, type[, proto]]])

函数参数

  • family: 套接字家族可以是 AF_UNIX 或者 AF_INET
  • type: 套接字类型可以根据是面向连接的还是非连接分为SOCK_STREAMSOCK_DGRAM
  • protocol: 一般不填默认为0

2.2 Socket 对象(内建)方法

函数描述
服务器端套接字
s.bind()绑定地址(host,port)到套接字, 在AF_INET下,以元组(host,port)的形式表示地址。
s.listen()开始TCP监听。backlog指定在拒绝连接之前,操作系统可以挂起的最大连接数量。该值至少为1,大部分应用程序设为5就可以了。
s.accept()被动接受TCP客户端连接,(阻塞式)等待连接的到来
客户端套接字
s.connect()主动初始化TCP服务器连接,。一般address的格式为元组(hostname,port),如果连接出错,返回socket.error错误。
s.connect_ex()connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常
公共用途的套接字函数
s.recv()接收TCP数据,数据以字符串形式返回,bufsize指定要接收的最大数据量。flag提供有关消息的其他信息,通常可以忽略。
s.send()发送TCP数据,将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量,该数量可能小于string的字节大小。
s.sendall()完整发送TCP数据,完整发送TCP数据。将string中的数据发送到连接的套接字,但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None,失败则抛出异常。
s.recvfrom()接收UDP数据,与recv()类似,但返回值是(data,address)。其中data是包含接收数据的字符串,address是发送数据的套接字地址。
s.sendto()发送UDP数据,将数据发送到套接字,address是形式为(ipaddr,port)的元组,指定远程地址。返回值是发送的字节数。
s.close()关闭套接字
s.getpeername()返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组(ipaddr,port)。
s.getsockname()返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
s.setsockopt(level,optname,value)设置给定套接字选项的值。
s.getsockopt(level,optname[.buflen])返回套接字选项的值。
s.settimeout(timeout)设置套接字操作的超时期,timeout是一个浮点数,单位是秒。值为None表示没有超时期。一般,超时期应该在刚创建套接字时设置,因为它们可能用于连接的操作(如connect())
s.gettimeout()返回当前超时期的值,单位是秒,如果没有设置超时期,则返回None。
s.fileno()返回套接字的文件描述符。
s.setblocking(flag)如果 flag 为 False,则将套接字设为非阻塞模式,否则将套接字设为阻塞模式(默认值)。非阻塞模式下,如果调用 recv() 没有发现任何数据,或 send() 调用无法立即发送数据,那么将引起 socket.error 异常。
s.makefile()创建一个与该套接字相关连的文件

2.3 搭建服务端

我们使用 socket 模块的 socket 函数来创建一个 socket 对象。socket 对象可以通过调用其他函数来设置一个 socket 服务。

现在我们可以通过调用 bind(hostname, port) 函数来指定服务的 port(端口)

接着,我们调用 socket 对象的 accept 方法。该方法等待客户端的连接,并返回 connection 对象,表示已连接到客户端。

完整代码如下

# server.py

# 导入 socket、sys 模块
import socket
import sys

# 创建 socket 对象
serversocket = socket.socket(
           socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 获取本地主机名
host = socket.gethostname()

port = 1234

# 绑定端口号
serversocket.bind((host, port))

# 设置最大连接数,超过后排队
serversocket.listen(5)

while True:
   # 建立客户端连接
   clientsocket,addr = serversocket.accept()      

   print("连接地址: %s" % str(addr))
   
   msg='connect successfully!"
   # 向客户端发送数据
   clientsocket.send(msg.encode('utf-8'))
   clientsocket.close()

2.4 搭建客户端

接下来我们写一个简单的客户端实例连接到以上创建的服务。端口号为 1234。

socket.connect(hosname, port ) 方法打开一个 TCP 连接到主机为 hostname 端口为 port 的服务商。连接后我们就可以从服务端获取数据,记住,操作完成后需要关闭连接。

完整代码如下

# client.py

# 导入 socket、sys 模块
import socket
import sys

# 创建 socket 对象
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 获取本地主机名
host = socket.gethostname()

# 设置端口号
port = 1234

# 连接服务,指定主机和端口
s.connect((host, port))

# 接收小于 1024 字节的数据
msg = s.recv(1024)

s.close()

print (msg.decode('utf-8'))

2.5 运行

我们现在先运行服务端,再运行客户端

在客户端的程序里会有下面的输出

$ python3 client.py 
connect successfully!

同时,在服务端会有一下输出

连接地址: ('你的Ip地址', 客户端的端口)