TCP协议

目录

• TCP协议
• TCP报文首部
• TCP连接的建立(三次握手)
• TCP四次挥手
• 为什么客户端最后还要等待2MSL?
• 为什么建立连接是三次握手,关闭连接确实四次挥手呢?
• 如果已经建立了连接,但是客户端突然出现了故障怎么办?
• 基于TCP协议的套接字编程(简单)
• 模拟ssh远程执行命令

TCP协议

• 数据从客户端-->到服务端的协议

TCP报文首部

1. 源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
2. 序号，占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。例如，一段报文的序号字段值是 301 ，而携带的数据共有100字段，显然下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应该从401开始；
3. 确认号，占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701；
4. 数据偏移，占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远；
5. 保留，占6位，保留今后使用，但目前应都位0；
6. 紧急URG，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；
7. 确认ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1；
8. 推送PSH，当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1；
9. 复位RST，当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
10. 同步SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；
11. 终止FIN，用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；
12. 窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；
13. 检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分；
14. 紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
15. 选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数。

TCP连接的建立(三次握手)

• 最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；

2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。

4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。

5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

   如果你要去服务端下载视频,客户端和服务端之间必须得连接,连接就是三次握手:
   
   在连接之前客户端和服务端都是出于关闭状态的
   
   1. 客户端会像服务端发起一个请求,如下载视频,会有一个SYN报头
   2. 服务端会接收到客户端的请求,然后会响应客户端,并且把SYN报头改装好后又返回客户端,会有ACK的报头
   3. 客户端开始进入建立连接状态,再发一条请求,请求带上ACK给服务端,让服务端也进入连接转态
   
   
   
   - 1次
   
   1. 客户端直接进入连接状态,直接发送请求给服务端,直接进入连接状态
   
   - 2次
   
   1. 客户端暂不进入连接状态,发一条请求给服务端,
   2. 服务端直接进入连接状态,发送一条确定请求给客户端,客户端收到直接进入连接状态
   

TCP四次挥手

• 数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

   1. 客户端会发送请求带上FIN报头给服务端说我够了,要断开连接
   2. 服务端接收到客户端的请求后,返回一个带有ACK报头的请求说确认了
   
   **1.FIN报头并没有返回; 2.但是服务端此时还有可能传输数据**
   
   3. 服务端数据传输结束之后,服务端又会发送一次带报头FIN的请求,告诉客户端我所有数据都发完了,结束吧
   
   如果只有三次连接,但是客户端可能在第二次连接后死掉了,客户端压根没有接收到第2-3步之间的数据传输,然后服务端是发送给你了请求
   
   4. 所以必须得有第四次,客户端像服务端进行一次确认,我收到了你中途发的数据
   

为什么客户端最后还要等待2MSL?

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

1. 保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
2. 防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文

为什么建立连接是三次握手,关闭连接确实四次挥手呢?

建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次

如果已经建立了连接,但是客户端突然出现了故障怎么办?

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

基于TCP协议的套接字编程(简单)

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET,
                      socket.SOCK_STREAM)  #tcp称为流式协议,udp称为数据报协议SOCK_DGRAM
# print(phone)

#2、插入/绑定手机卡
# phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
phone.bind(('127.0.0.1', 8080))

#3、开机
phone.listen(5)  # 半连接池，限制的是请求数

#4、等待电话连接
print('start....')
while True:  # 连接循环
    conn, client_addr = phone.accept()  #（三次握手建立的双向连接，（客户端的ip，端口））
    # print(conn)
    print('已经有一个连接建立成功', client_addr)

    #5、通信：收发消息
    while True:  # 通信循环
        try:
            print('服务端正在收数据...')
            data = conn.recv(1024)  #最大接收的字节数，没有数据会在原地一直等待收，即发送者发送的数据量必须>0bytes
            # print('===>')
            if len(data) == 0: break  #在客户端单方面断开连接，服务端才会出现收空数据的情况
            print('来自客户端的数据', data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break
    #6、挂掉电话连接
    conn.close()

#7、关机
phone.close()

客户端

import socket

#1、买手机
phone = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# print(phone)
#2、拨电话
phone.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 指定服务端ip和端口

#3、通信：发收消息
while True:  # 通信循环
    msg = input('>>: ').strip()  #msg=''
    if len(msg) == 0: continue
    phone.send(msg.encode('utf-8'))
    # print('has send----->')
    data = phone.recv(1024)
    # print('has recv----->')
    print(data)

#4、关闭
phone.close()

模拟ssh远程执行命令

#服务端
from socket import *
import subprocess

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

server.bind(('127.0.0.1', 8000))
server.listen(5)

print('start...')
while True:
    conn, client_addr = server.accept()

    while True:
        print('from client:', client_addr)

        cmd = conn.recv(1024)
        if len(cmd) == 0: break
        print('cmd:', cmd)

        obj = subprocess.Popen(cmd.decode('utf8'),  # 输入的cmd命令
                               shell=True,  # 通过shell运行
                               stderr=subprocess.PIPE,  # 把错误输出放入管道，以便打印
                               stdout=subprocess.PIPE)  # 把正确输出放入管道，以便打印

        stdout = obj.stdout.read()  # 打印正确输出
        stderr = obj.stderr.read()  # 打印错误输出

        conn.send(stdout)
        conn.send(stderr)

    conn.close()

server.close()


## 客户端
import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

client.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    data = input('please enter your data')
    client.send(data.encode('utf8'))
    data = client.recv(1024)

    print('from server:', data)

client.close()


########################
输入dir命令，由于服务端发送字节少于1024字节，客户端可以接受。

输入tasklist命令，由于服务端发送字节多于1024字节，客户端只接受部分数据，并且当你再次输入dir命令的时候，客户端会接收dir命令的结果，但是会打印上一次的剩余未发送完的数据，这就是粘包问题。