socket實作TCP/IP通信

1.在開始之前

1.1 TCP/IP協議

1.1.1 TCP/IP概述

在互聯網通信中，計算機之間的通信需要依賴互聯網通信協議，常見的網路通信協議有TCP/IP協議、IPX/SPX協議、NetBEUI協議等，TCP/IP就是其中一個網路通信協議，而我們今天要利用的socket就是依賴TCP/IP完成通信的，

實際上，TCP/IP并不是單獨一個協議，而是一個由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等協議構成的協議簇， 只是因為在TCP/IP協議中TCP協議和IP協議最具代表性，所以被稱為TCP/IP協議，

在網路通信協議中，TCP/IP的優勢在于具有很強的靈活性，支持任意規模的網路，幾乎可連接所有服務器和作業站，在使用TCP/IP協議時需要進行復雜的設定，每個結點至少需要一個“IP地址”、一個“子網掩碼”、一個“默認網關”、一個“主機名”，

1.1.2 TCP/IP協議組成

TCP/IP在一定程度上參考了OSI模型和DoD模型，所以其組成一定程度上與二者十分相似，而在TCP/IP中，分層被分為四個部分，分別是應用層、傳輸層、網路層和資料鏈路層，

下圖展示了四個部分分別對應的TCP/IP協議簇中的幾個不同協議

1.應用層

應用層是TCP/IP中的第一層，是直接為應用行程提供服務的，對不同種類的應用程式它們會根據自己的需要來使用應用層的不同協議，比如郵件使用的SMTP協議，萬維網的http協議，

應用層能加密、解密、格式化資料，還可以建立或解除與其他節點的聯系，這樣可以充分節省網路資源，

2.運輸層

運輸層是TCP/IP的核心層，TCP協議的UDP協議共同組成了TCP/IP的運輸層

3.網路層

網路層：網路層在TCP/IP協議中的位于第三層，在TCP/IP協議中網路層可以進行網路連接的建立和終止以及IP地址的尋找等功能

4.網路介面層

在TCP/IP協議中，網路介面層位于第四層，由于網路介面層兼并了物理層和資料鏈路層，所以，網路介面層既是傳輸資料的物理媒介，也可以為網路層提供一條準確無誤的線路，

1.1.3 TCP協議

TCP即傳輸控制協議，是一種面向連接的、可靠的、基于位元組流的通信協議，簡單來說TCP就是有確認機制的UDP協議，每發出一個資料包都要求確認，如果有一個資料包丟失，就收不到確認，發送方就必須重發這個資料包，為了保證傳輸的可靠性，

TCP協議在UDP基礎之上建立了三次對話的確認機制，即在正式收發資料前，必須和對方建立可靠的連接，TCP資料包和UDP一樣，都是由首部和資料兩部分組成，唯一不同的是，TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網路的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確保單個TCP資料包不必再分割，

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協議的路通信的基本操作單元，

可以將套接字看作不同主機間的行程進行雙間通信的端點，它構成了單個主機內及整個網路間的編程界面，套接字存在于通信域中，通信域是為了處理一般的執行緒通過套接字通信而引進的一種抽象概念，套接字通常和同一個域中的套接字交換資料(資料交換也可能穿越域的界限，但這時一定要執行某種解釋程式)，各種行程使用這個相同的域互相之間用Internet協議簇來進行通信

1.2.2 socket作業流程

1.服務器監聽

服務器首先啟動監聽埠動態，監聽埠的連接請求

2.客戶端發起請求

客戶端將向目標Ip的指定埠發起請求，為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務器的套接字，指出服務器端套接字的地址和埠號，然后就向服務器端接字提出連接請求

3.連接確認，建立連接

當服務器端套接字監聽到或者說接收到客戶端套接字的連接請求，就會回應客戶端套接字的請求，建立一個新的執行緒，并把服務器端套接字的描述發送給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，連接就建立好了，而服務器端套接字繼續處于監聽狀態，接收其他客戶端套接字的連接請求

1.2.3 socket()函式

對于C/C++，socket函式一般在WinSock2.h和WinSock.h庫中，開發者可通過在頭檔案中宣告

#include<WinSock2.h>

以引入WinSock2庫，

對于python，開發者可以通過

import socket
import sys

2.Python實作Socket通信

由于Python的Socket較容易理解，我們在這里使用Python入門Socket編程

2.1 Python中的Socket函式

Socket()格式如下

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

函式引數

• family: 套接字家族可以是 AF_UNIX 或者 AF_INET
• type: 套接字型別可以根據是面向連接的還是非連接分為SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM
• protocol: 一般不填默認為0

2.2 Socket 物件(內建)方法

2.3 搭建服務端

我們使用 socket 模塊的 socket 函式來創建一個 socket 物件，socket 物件可以通過呼叫其他函式來設定一個 socket 服務，

現在我們可以通過呼叫 bind(hostname, port) 函式來指定服務的 port(埠)，

接著，我們呼叫 socket 物件的 accept 方法，該方法等待客戶端的連接，并回傳 connection 物件，表示已連接到客戶端，

完整代碼如下

# server.py

# 匯入 socket、sys 模塊
import socket
import sys

# 創建 socket 物件
serversocket = socket.socket(
            socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 

# 獲取本地主機名
host = socket.gethostname()

port = 1234

# 系結埠號
serversocket.bind((host, port))

# 設定最大連接數，超過后排隊
serversocket.listen(5)

while True:
    # 建立客戶端連接
    clientsocket,addr = serversocket.accept()      

    print("連接地址: %s" % str(addr))
    
    msg='connect successfully!"
    # 向客戶端發送資料
    clientsocket.send(msg.encode('utf-8'))
    clientsocket.close()

2.4 搭建客戶端

接下來我們寫一個簡單的客戶端實體連接到以上創建的服務，埠號為 1234，

socket.connect(hosname, port ) 方法打開一個 TCP 連接到主機為 hostname 埠為 port 的服務商，連接后我們就可以從服務端獲取資料，記住，操作完成后需要關閉連接，

完整代碼如下

# client.py

# 匯入 socket、sys 模塊
import socket
import sys

# 創建 socket 物件
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 

# 獲取本地主機名
host = socket.gethostname() 

# 設定埠號
port = 1234

# 連接服務，指定主機和埠
s.connect((host, port))

# 接收小于 1024 位元組的資料
msg = s.recv(1024)

s.close()

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

2.5 運行

我們現在先運行服務端，再運行客戶端

在客戶端的程式里會有下面的輸出

$ python3 client.py 
connect successfully!

同時，在服務端會有一下輸出

連接地址： ('你的Ip地址', 客戶端的埠)