【2】Socket通信

【转自：https://www.zhihu.com/question/29637351/answer/2278820437】

1. 什么是socket

socket中文叫套接字，就是TCP/IP协议栈中不同主机应用进程之间进行双向通信的端点抽象。一个socket就是网络上进程通信的一端，提供了应用进程利用网络协议交换数据的机制。socket上联应用进程，下联操作系统TCP/IP协议栈。是应用程序通过网络协议进行通信的接口。换句话说，你能通过socket 的接口，来控制协议栈工作，从而实现网络通信，达到跨主机通信。

协议栈的上半部分有两块，分别是负责收发数据的 TCP 和 UDP 协议，它们两会接受应用层的委托执行收发数据的操作。

协议栈的下面一半是用 IP 协议控制网络包收发操作，在互联网上传数据时，数据会被切分成一块块的网络包，而将网络包发送给对方的操作就是由 IP 负责的。

此外 IP 中还包括 ICMP 协议和 ARP 协议:

ICMP 用于告知网络包传送过程中产生的错误以及各种控制信息；
ARP 用于根据 IP 地址查询相应的以太网 MAC 地址；

IP 下面的网卡驱动程序负责控制网卡硬件，而最下面的网卡则负责完成实际的收发操作，也就是对网线中的信号执行发送和接收操作。

2. 使用C/S架构通讯的Socket

【转自：https://www.zhihu.com/question/29637351/answer/1934423848】

socket 一般分为 TCP 网络编程和 UDP 网络编程。

2.1 TCP 网络编程

基于 TCP 协议的客户端和服务器：

服务端和客户端初始化 socket，得到文件描述符；
服务端调用 bind，绑定 IP 地址和端口；
服务端调用 listen，进行监听；
服务端调用 accept，等待客户端连接；
客户端调用 connect，向服务器端的地址和端口发起连接请求；
服务端 accept 返回 用于传输的 socket的文件描述符；
客户端调用 write 写入数据；服务端调用 read 读取数据；
客户端断开连接时，会调用 close，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF，待处理完数据后，服务端调用 close，表示连接关闭。

这里需要注意的是，服务端调用 accept 时，连接成功了会返回一个已完成连接的 socket，后续用来传输数据。

所以，监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是「两个」 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已完成连接 socket。

成功连接建立之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

2.2 结合三次握手连接的 TCP socket

客户端的协议栈向服务器端发送了 SYN 包，并告诉服务器端当前发送序列号 client_isn，客户端进入 SYN_SENT 状态；
服务器端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 client_isn+1，表示对 SYN 包 client_isn 的确认，同时服务器也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 server_isn，服务器端进入 SYN_RCVD 状态；
客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务器端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务器端的 SYN 包进行应答，应答数据为 server_isn+1；
应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务器端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入 ESTABLISHED 状态。

2.3 结合四次次挥手的 TCP socket

客户端调用 close，表明客户端没有数据需要发送了，则此时会向服务端发送 FIN 报文，进入 FIN_WAIT_1 状态；
服务端接收到了 FIN 报文，TCP 协议栈会为 FIN 包插入一个文件结束符 EOF 到接收缓冲区中，应用程序可以通过 read 调用来感知这个 FIN 包。这个 EOF 会被放在已排队等候的其他已接收的数据之后，这就意味着服务端需要处理这种异常情况，因为 EOF 表示在该连接上再无额外数据到达。此时，服务端进入 CLOSE_WAIT 状态；
接着，当处理完数据后，自然就会读到 EOF ，于是也调用 close 关闭它的套接字，这会使得服务端会发出一个 FIN 包，之后处于 LAST_ACK 状态；
客户端接收到服务端的 FIN 包，并发送 ACK 确认包给服务端，此时客户端将进入 TIME_WAIT 状态；
服务端收到 ACK 确认包后，就进入了最后的 CLOSE 状态；
客户端经过 2MSL 时间之后，也进入 CLOSE 状态；

2.4 TCP服务端程序

使用一个服务端程序监听本机TCP-60000端口，使用一个客户端程序，向本机TCP-60000发送字符串消息。

# ! /usr/bin/env python3
# _*_ coding: utf-8 _*_
from socket import *

# 变量名大写，约定作为配置项的意思，这里定义了三个配置变量作为实例化的参数
# 定义IP地址、端口、缓存，缓存的单位是Byte
IP = '127.0.0.1'
PORT = 60000
BUFLEN = 1024

# 实例化一个socket赋值给变量listen_socket
# 参数AF_INET就是IP地址族
# 参数SOCK_STREAM就是TCP、参数SOCK_DGRAM就是UDP、参数SOCK_RAW是原始套接字，为TCP、UDP之外的协议提供接口
listen_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 为这个socket绑定IP和端口，bind的对象必须是一个包含IP和端口元组
listen_socket.bind((IP, PORT))

# 使socket处于监听状态，等待客户端的请求，只有服务端能使用监听
# 参数5表示，最多接收5个等待连接的客户端
listen_socket.listen(5)
print(f'Server: 服务启动成功，在{PORT}端口，等待 Client 连接... ...')

# 监听socket的accept方法，用来接收客户端的连接，如果没有客户端连接，就一直处于监听状态（阻塞状态）直到有客户端连接
# 一旦客户段发起连接（TCP三次握手）accept方法就会返回一个元组，一个data_socket来传输数据，一个ipaddress包含IP和PORT
data_socket, ip_port = listen_socket.accept()
print(f'Server>>> 接受一个客户端{ip_port}连接... ...')

while True:
    # 尝试读取客户端发来的消息
    # BUFLEN指定从接收缓冲里最多读取多少Bytes，recved是一个字节串变量
    recved = data_socket.recv(BUFLEN)

    # 如果返回空的Bytes，意味着对方关闭了连接
    # 退出循环，结束消息收发
    if not recved:
        break

    # 把读取的Bytes数据，转换成字符串编码，赋值给变量info，然后打印出来
    info = recved.decode('utf-8')
    print(f'Server>>> 收到客户端{ip_port}消息: {info}')

    # 通知客户端的字符串，编码为utf-8的Bytes类型数据
    data_socket.send(f'Server>>> 服务器{(IP, PORT)}收到消息 {info}'.encode('utf-8'))

data_socket.close()
listen_socket.close()

2.5 TCP客户端程序

# ! /usr/bin/env python3
# _*_ coding: utf-8 _*_
from socket import *

IP = '127.0.0.1'
PORT = 60000
BUFLEN = 1024

# 实例化了一个socket对象，赋给变量data_socket
data_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 调用connect方法，连接服务器，connet就是连接正在等待的服务器端的listen_socket
data_socket.connect((IP, PORT))

while True:
    toSend = input('client>>> ')
    if toSend == 'exit':
        break
    data_socket.send(toSend.encode('utf-8'))
    recved = data_socket.recv(BUFLEN)
    if not recved:
        break
    print(recved.decode('utf-8'))

data_socket.close()

运行TCP服务端程序: