TCP网络编程初步

在学习并发编程之前，先熟悉一个客户端与一个服务端

TCP协议核心机制

TCP（传输控制协议）通过三次握手建立连接，通过四次挥手终止连接，确保数据传输的可靠性。

服务端实现代码

import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 服务端的socket              IPV4           TCP
# 这个只负责接受客户端的连接请求

server_socket.bind(('', 8000))
# 允许最大的等待个数
server_socket.listen(128)
# 接受客户端的连接
socket2, client_addr = server_socket.accept()

while True:
    msg = socket2.recv(1024).decode('utf8')
    if msg == 'quit':
        break
    print(f'来自客户端IP：{client_addr[0]},端口号{client_addr[1]}:{msg}')
    # 给客户端发送聊天信息
    send_msg = input('server>>')
    socket2.send(send_msg.encode('utf8'))

socket2.close()
server_socket.close()

客户端实现代码

import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_addr = ('192.168.100.199', 8000)
client_socket.connect(server_addr)

while True:
    send_msg = input('client>>')
    if send_msg == 'quit':
        client_socket.send(send_msg.encode('utf8'))
        break
    client_socket.send(send_msg.encode('utf8'))
    msg = client_socket.recv(1024).decode('utf8')
    print(f'来自服务端IP：{server_addr[0]},端口号{server_addr[1]}:{msg}')

client_socket.close()

TCP三次握手详解

三次握手是TCP建立连接的过程，确保双方都有发送和接收能力。

第一次握手：SYN

1	客户端 → SYN=1, seq=x → 服务端

客户端发送SYN包，seq为随机数x，进入SYN_SENT状态。

第二次握手：SYN+ACK

1	客户端 ← SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 ← 服务端

服务端收到SYN，发送SYN+ACK包：

seq为随机数y
ack为x+1（确认收到客户端的x）
服务端进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：ACK

1	客户端 → ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 → 服务端

客户端发送ACK包：

seq为x+1
ack为y+1（确认收到服务端的y）
双方进入ESTABLISHED状态，连接建立。

代码中的三次握手

# 客户端发起连接（第一次握手）
client_socket.connect(server_addr)

# 服务端接受连接（完成三次握手）
socket2, client_addr = server_socket.accept()

TCP四次挥手详解

四次挥手是TCP断开连接的过程，确保双方数据都传输完毕。

第一次挥手：FIN

1	客户端 → FIN=1, seq=u → 服务端

客户端发送FIN包，seq为u，进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：ACK

1	客户端 ← ACK=1, seq=v, ack=u+1 ← 服务端

服务端发送ACK包：

ack为u+1（确认收到客户端的FIN）
服务端进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。

第三次挥手：FIN

1	客户端 ← FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 ← 服务端

服务端发送FIN+ACK包，进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：ACK

1	客户端 → ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 → 服务端

客户端发送ACK包，进入TIME_WAIT状态（等待2MSL），服务端关闭连接。

代码中的四次挥手

# 客户端发送quit（发起第一次挥手）
client_socket.send('quit'.encode('utf8'))

# 服务端收到quit（第二次挥手）
msg = socket2.recv(1024).decode('utf8')
if msg == 'quit':
    break

# 关闭套接字（完成挥手过程）
socket2.close()
server_socket.close()
client_socket.close()

TCP状态转换

建立连接状态

CLOSED：初始状态
SYN_SENT：客户端发送SYN后
LISTEN：服务端调用listen()后
SYN_RCVD：服务端收到SYN后
ESTABLISHED：连接建立完成

断开连接状态

FIN_WAIT_1：客户端第一次挥手
CLOSE_WAIT：服务端第一次收到FIN
FIN_WAIT_2：客户端收到ACK
LAST_ACK：服务端发送FIN
TIME_WAIT：客户端最后等待
CLOSED：连接完全关闭

为什么需要三次握手？

防止旧的重复连接初始化

避免网络延迟导致的旧连接干扰新连接
确保双方都知道对方准备好了

同步序列号

交换初始序列号（ISN）
确保数据按序传输

确认双方能力

确认双方都有发送和接收能力
协商窗口大小等参数

为什么需要四次挥手？

半关闭状态

TCP是全双工的，可以单向关闭
服务端可能还有数据要发送

确保数据完整性

等待所有数据都传输完毕
确保没有数据丢失

可靠终止

双方都知道连接要关闭了
防止数据包在网络中”迷路”

TIME_WAIT状态的作用

等待2MSL的原因

确保最后一个ACK到达：如果服务端没收到ACK会重发FIN
让旧连接的数据包消失：防止影响新连接
MSL（Maximum Segment Lifetime）：报文最大生存时间

实际编程中的影响

连接建立失败

try:
    client_socket.connect(server_addr)
except ConnectionRefusedError:
    print("连接被拒绝：服务端未启动或端口错误")

端口复用问题

1 2	# 避免Address already in use错误 server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

关闭

# 半关闭：关闭发送，仍可接收
client_socket.shutdown(socket.SHUT_WR)

# 等待对方关闭
while True:
    data = client_socket.recv(1024)
    if not data:
        break

总结

三次握手建立可靠连接，四次挥手优雅终止连接，这是TCP协议的核心机制。理解这些过程对于调试网络问题和编写稳定的网络程序非常重要。

在代码中，connect()触发三次握手，close()触发四次挥手，这些细节都由操作系统自动处理。

python网络编程--TCP篇