传输层之TCP与UDP协议、socket模块

传输层之TCP与UDP协议、socket模块

• 传输层之TCP与UDP协议、socket模块
  • • 一、传输层
    • 二、TCP协议
    • 三、UDP协议
    • 四、tcp和udp的对比
• socket模块
  • • 服务端（sever）
    • 客户端（client）
    • 数据格式问题
    • 数据沾包
    • 数据完整接收
• 半连接池

一、传输层

	TCP和UDP都是传输层协议，传输层是OSI模型中的第四层，实现端对端的数据传输，该层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。传输层是唯一负责总体数据传输和数据控制的一层，它对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可靠的目的地点信息。
	传输层在终端用户之间提供透明传输，向上层提供可靠的数据传输服务。
	端对端的网络连接，比如你要将数据从A发送到E，其中可能经过A到B到C到D到E，单数对于传输层来讲他们并不知道B、C、D的存在，只认为报文是从A到E的。这就叫做端对端。

二、TCP协议

TCP(传输控制协议Transmission Control Protocol):
TCP要对数据的传输进行一个详细的控制，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层的通信协议。传输效率低。

TCP的特点：
1.面向连接：通信双方主机要建立连接
2.可靠传输：保证不丢包，不会重复（由确认应答，超时重传等机制确保）
3.基于字节流：数据与数据之间无边界（可能会导致黏包问题）
4.全双工
5.缓冲存储：不会立即发送，选择合适的机会
6.流量控制：窗口机制

洪水攻击：同时间大量客户端请求建立链接，导致服务端一直处于SYN_RCVD状态
服务端可以对请求做唯一标识以区分客户端建立链接的请求。

• TCP协议段格式

• 三次握手建链接，四次挥手断链接

#tcp的三次握手
TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。
TCP三次握手的过程如下：
客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。
三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。
                        
#tcp的四次挥手
建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。
(1) 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
(2) 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
"""
注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
"""
(3) 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
(4) 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

#注意：
(1) “通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。
(2) 在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。
(3) 当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。
无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。

三、UDP协议

UDP(用户数据报协议User Datagram Protocol)：
UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用，有不提供数据包分组，组装和部队数据包进行排序的缺点。它是一种不可靠的、无连接的服务。传输效率高。

UDP的特点：
传输层协议、无连接、不可靠传输、面向数据报

无连接：
UDP协议在传输数据报时是不建立连接的，这个连接是指通信双方不需要建立连接，只要知晓对方的IP和端口号，并不需要向其发送连接请求，就可以直接发送报文。

不可靠：
UDP协议中没有确认机制，没有超时重传机制，报文的传输过程怎么样，丢没丢，它都不关心，即使报文丢失了，他也不会向上层发送错误信息

面向数据报：
UDP是面向数据报的协议，他不能灵活的控制读写数据的次数和数量，应用层交给UDP多长的报文，UDP只能原样发送，既不会拆分，也不会合并。

• UDP协议段格式

四、tcp和udp的对比

TCP---传输控制协议
	提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。 
UDP---用户数据报协议
	是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

socket模块

	Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议组隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
利用Socket完成TCP/IP通讯，首先需要生成两个对象，一个是客户端（client），一个是服务端（sever）

服务端（sever）

步骤:
1.创建对象 .socket()
2.绑定ip地址与端口 .bind()
3.监听 .listen()
4.接收一个套接口接受的一个连接 .accept()
5.接收连接进来的数据 .recv()
6.发送连接进来的数据 .send()

代码如下：
import socket

server = socket.socket()
# 绑定要监控的界面
server.bind(("localhost", 6969))
# 监听
server.listen()
print("我要开始等电话了！")
while True:
    # 等电话打进来
    conn, adr = server.accept()
    while True:

        data = conn.recv(1024)
        print("接收：", data)
        if not data:
            print("host is lost")
            break
        conn.send(data.upper())

server.close()

"""
代码解释：
server = socket.socket() #生成一个服务端
server.bind((“localhost”, 6969))# 绑定要监控的界面，元祖形式（ip地址，端口号）
server.listen() # 监听端口状态
conn, adr = server.accept() # 获取进来的对象是谁（conn），cnn为后数据传输通道，adr为ip地址
data = conn.recv(1024) # 接收数据，接收数据量为1024
conn.send(data) # 发送数据，需要编码endcode()
"""

客户端（client）

步骤:
1.创建对象 .socket()
2.连接ip地址与端口 .connet()
3.接收进来的数据 .recv()
4.发送数据 .send()

代码如下：
import socket

client = socket.socket()
client.connect(('localhost', 6969))
while True:
    msg = input(">>:")
    if len(msg) == 0: continue
    client.send(msg.encode("utf-8"))
    data = client.recv(1024)
    print("数据：", data)

client.close()

"""
代码解释：
client.connect((‘localhost’, 6969)) # 设置IP地址和端口，元组形式
"""

代码优化:
1.聊天内容自定义
	针对消息采用input获取
2.让聊天循环起来
	将聊天的部分用循环包起来
3.用户输入的消息不能为空
	本质其实是两边不能都是recv或者send 一定是一方收一方发 
4.服务端多次重启可能会报错
	Address already in use 主要是mac电脑会报
  	方式1:改端口号
  	方式2:博客里面代码拷贝即可
5.当客户端异常断开的情况下 如何让服务端继续服务其他客人
	windows服务端会直接报错
  mac服务端会有一段时间反复接收空消息延迟报错	
  	异常处理、空消息判断

数据格式问题

	python默认数据格式为Unicode，在发送数据时,函数send()的参数类型是：Byte，需要将数据转换类型。

数据沾包

	当连续的调用send()时，接收recv()有大小限制，发送的数据量大于接收的数据量，截断的数据储存在缓存器BUFF中，下一次数据在传输时，会优先传输上次截断的数据，从而发生了粘包。
	为了避免这种错误，通过设计反馈，即发送数据后反馈给发送数据回来。发送中间夹杂着一次接收，避免了数据在缓冲中导致粘包。

数据完整接收

	数据接收recv()有大小限制，在为了保证目标数据的完整性，数据发送前应当给客户端发送数据量大小，用于判断数据是否接收完全。但如果两次send()连续执行会产生粘包。

半连接池

建立半连接池（就是可以规定最大的连接数为多少）
server.listen(5)  # 半连接池
当有多个客户端来链接的情况下 我们可以设置等待数量(不考虑并发问题)
假设服务端只有一个人的情况下
在测试半连接池的时候 可以不用input获取消息 直接把消息写死即可