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TCP协议学习

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TCP数据传输

一、TCP简介

1、什么是TCP协议

TCP是面向连接的协议，这是因为在一个应用进程可以开始向另一个应用进程发送数据之前，这两个进程必须先相互“握手”，即它们必须相互发送某些预备报文段，以建立确保数据传输的参数。它有以下几个特点：

  • 面向连接：TCP一定是“一对一”的，无法做到一对多；
  • 可靠：无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端（当然不是说绝对可靠）；
  • 基于字节流：消息是“没有边界”的，所以无论我们消息有多大都可以进行传输。并且消息是“有序的”，当前一个消息没有收到的时候，即使它先收到了后面的字节已经收到，那么也不能扔给应用层去处理，同时对重复的报文会自动丢弃。

2、为什么需要TCP协议

IP层是“不可靠”的，它不保证网络包的交付、不保证网络包的按序交付、也不保证网络包中数据的完整性。如果需要保障网络数据包的可靠性，那么就需要由上层（传输层）的 TCP 协议来负责。因为 TCP 是一个工作在传输层的可靠数据传输的服务，它能确保接收端接收的网络包是无损坏、无间隔、非冗余和按序的。

TCP

3、TCP头部格式

TCP头部的最小长度是 20字节。这是基本的TCP头部，不包含任何选项字段。TCP头部的最大长度是 60字节。当数据取最大32位时，TCP头部最大。

源端口号（16位） 目标端口号（16位）
序列号（32位）
确认应答号（32位）
首部长度（4位） 保留（6位） URG ACK PSH RST SYN FIN 窗口大小（16位）
校验和（16位） 紧急指针（16位）
选项（长度可变）
数据
表 1 TCP头部格式
各部分说明：
  • 源端口（Source Port）：16位，发送方的端口号；
  • 目标端口（Destination Port）：16位，接收方的端口号；
  • 序列号（Sequence Number）：32位，发送数据段的序列号，用于数据重组；
  • 确认号（Acknowledgment Number）：32位，期望接收的数据段的下一个序列号，用于确认接收的数据；
  • 数据偏移（Data Offset）：4位，表示TCP头部的长度，以32位字（4字节）为单位；
  • 保留位（Reserved）：6位，保留为将来使用，通常置为0；
  • 控制位（Control Flags）：6位，包括以下标志：
    1. URG（紧急指针有效）；
    2. ACK（确认号有效）；
    3. PSH（推送数据）；
    4. RST（重置连接）；
    5. SYN（同步序列号，用于建立连接）；
    6. FIN（终止连接）。
  • 窗口大小（Window Size）：16位，表示接收方允许发送方发送的数据量（以字节为单位）；
  • 校验和（Checksum）：16位，用于检验数据的完整性；
  • 紧急指针（Urgent Pointer）：16位，指出紧急数据的结束位置，仅当URG标志置位时有效；
  • 选项（Options）：可变长度，包含额外的选项，如时间戳、窗口扩展等；
  • 数据（Padding）：可变长度，用于填充到32位边界。

二、Python传输TCP数据

用Python实现TCP数据传输需要从服务端（server）和客户端（client）两个部分来实现。

1、 服务端（server）

思路流程：

  • 创建TCP套接字；
  • 绑定套接字到指定的地址和端口；
  • 使套接字开始监听连接请求；
  • 接受新的连接；
  • 接收来自客户端的数据；
  • 发送确认消息回给客户端；
  • 关闭和客户端的连接。
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import socket


def start_server(host, port):
    # 创建一个TCP套接字
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 绑定套接字到指定的地址和端口
    server_socket.bind((host, port))

    # 使套接字开始监听连接请求，最多可以有 5 个未决连接
    server_socket.listen(5)

    print(f"Server listening on {host}:{port}")

    while True:
        # 接受一个新的连接
        client_socket, client_address = server_socket.accept()
        print(f"Connection from {client_address}")

        # 接收来自客户端的数据，最多接收 1024 字节
        data = client_socket.recv(1024).decode()
        print(f"Received data: {data}")

        # 发送确认消息回给客户端
        client_socket.sendall("Data received".encode())

        # 关闭和客户端的连接
        client_socket.close()


if __name__ == "__main__":
    start_server('127.0.0.1', 11925)

2、客户端（client）

思路流程：

  • 创建TCP套接字；
  • 连接到指定的服务器地址和端口；
  • 编辑需要发送的数据；
  • 发送数据给服务端；
  • 接收来自服务端的响应数据；
  • 关闭和服务端的连接。
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import socket


def start_client(host, port):
    # 创建一个 TCP 套接字
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 连接到指定的服务器地址和端口
    client_socket.connect((host, port))

    # 要发送的消息
    message = "hello world!"

    # 发送消息给服务器
    client_socket.sendall(message.encode())

    # 接收来自服务器的响应数据，最多接收 1024 字节
    data = client_socket.recv(1024).decode()
    print(f"Received from server: {data}")

    # 关闭与服务器的连接
    client_socket.close()


if __name__ == "__main__":
    start_client('127.0.0.1', 11925)