人生苦短，我用Python（二）—Python使用Socket实现TCP连接的建立和传输

本文主要是介绍人生苦短，我用Python（二）—Python使用Socket实现TCP连接的建立和传输，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

最近，一直在研究TCP相关的状态、交互和故障等各种情况出现的原因分析。由于博主本人的工作是一名网络工程师，对应用程序是如何影响TCP交互的过程一直不是很了解，并且在深入研究TCP相关知识的过程中也不断接触到各类文章，与操作系统底层参数、C语言编程等相关的知识，感觉触碰到了本人知识框架的边界。在这个背景下，由于博主具备简单的python编程能力，所以决定从python入手，首先研究python调用TCP socket的过程、其中可以控制的参数以及对TCP状态的影响，由此入手，之后再开展其他语言调用TCP Socket的相关学习。

首先看一张经典的图：

该图描述了，服务器端与客户端是如何调用socket，进行数据传输的。下面，结合具体语句，描述上图的这个过程。

服务器 x.200.x.30：12345《——客户端 x.10.x.39

本次语句实现开启服务器端12345端口监听，客户端与该端口建立连接，发送数据。

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首先来看服务器端的程序

在服务器端，调用socket，创建套接字描述符，之后的操作都是在此描述符基础上的。

sk = socket.socket() #之后将该套接字与IP地址和端口进行绑定Sk.bind（（”x.200.x.30”,12345））#之后将该套接字与IP地址和端口进行绑定sk.listen(5)#打开该端口的监听，以及设置支持的最大连接数数量。

该最大连接数量是指已经收到了建立连接的清颩，但是服务器该没有调用accept处理的连接数。

此时应该能在服务器端看到，该端口出于监听状态。

在windows平台通过netstat -ano | findstr 12345 查看

在linux平台通过 netstat -nap | grep 12345 查看

conn, address = sk.accept()#接受连接，并返回conn 和 address

Conn为套接字的对象，用来发送和接收数据，address则是连接的客户端地址

此时在服务器端程序在未收到连接请求时会阻塞，等待连接的到来。

至此，服务器端做好接受客户端连接的准备

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下面看客户端的程序

与服务器端类似，客户端调用socket，创建套接字描述符

obj=socket.socket()obj.connect((“1.1.1.1”,12345))#连接目标地址和端口的套接字

程序运行至此，客户端会去尝试与目标服务器的ip地址和端口，建立tcp连接，此时tcp状态应该为SYN-SENT状态，我们可以通过与不可达的ip建立tcp连接，来观察此现象。

（在此说明，由于客户端本地存在着使用12345端口的应用，与本文无关，为避免干扰，将其打码掩盖。）

同时，我们可以通过wireshark抓包发现，windows 7操作系统，重传SYN包的时间间隔同样为3s、6s这样指数递增，符合RFC1122的标准。

至此，客户端可以与服务器端建立连接。

在完成了以上程序后，我们利用os或subprocess模块，调用系统命令，查看程序运行后，tcp连接的建立情况。同时，我们丰富该程序的功能，使用循环语句，反复发送数据如下：

obj.send(bytes("This is %s msg from client"%i,encoding="utf-8"))#使用.send，将数据发送到连接的套接字

当到达想要的循环次数时，发送带有’End’的字符，作为判断数据已发送完毕的标志。

接收数据：

ret=str(obj.recv(1024),encoding="utf-8") #接受数据，1024指定最多可以接受的数据的大小

当服务器端收到带有’End’字符的数据时，代表客户端告诉服务器端数据已发送完毕，于是服务器返回Finish，告诉客户端我的数据也发送完了。

具体实现语句如下：

服务器端：

#! python3
# SocketTestv0.1.py
# -*- coding:utf-8 -*-import socket
import os
import timedef main():while True:ret = str(conn.recv(1024), encoding="utf-8")print(ret)if 'End' in ret:print('End')conn.sendall(bytes("Finish!", encoding="utf-8"))#conn.close()#sk.close 不发送fin包os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)breakelse:print('Not close')continueif __name__=='__main__':while True:host = 'x.200.x.30'port = 12345sk = socket.socket()sk.bind((host, port))sk.listen(5)#sk.settimeout(10)print('The port is listening...')os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)print('Wait for the client.')conn, address = sk.accept()print('Connecting...')print('Connect from: ', address)os.system('netstat -ano | findstr %s' % port)main()

客户端：

#! python3
# SocketTestClientv0.1.py
# -*- coding:utf-8 -*-import socket
import os
import subprocesshost='x.200.x.30'
port=12345obj=socket.socket()
obj.connect((host,port))
cmd='netstat -ano | findstr %s'%port
result1=subprocess.getoutput(cmd)
print(result1)
i=0
while True:obj.send(bytes("This is %s msg from client"%i,encoding="utf-8"))i=i+1print(i)if i==5:obj.send(bytes("End",encoding="utf-8"))ret=str(obj.recv(1024),encoding="utf-8")print(ret)if ret=='Finish!':#obj.close()breakelse:continue        
result2=subprocess.getoutput(cmd)
print(result2)

我们希望能够在已上程序的基础上通过对程序各项参数的修改，完成对TCP建立连接过程中，TCP各项状态的观察。TCP状态机如下：

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TCP建立连接状态的观察——SYN_SENT、ESTABLISHED

SYN_SENT状态，在前文已经描述过，不再赘述

ESTABLISHED状态，不对程序做任何修改，先运行服务器端程序，再运行客户端程序

运行结果如下：

服务器端：

客户端：

Wiresark抓包：

可以看到，TCP三次握手建立成功，客户端主动发送数据，服务器根据预期返回相应数据。程序运行完后，TCP连接保持在Established状态。

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TCP断开连接状态的观察—FIN_WAIT2、CLOSE_WAIT、TIME_WAIT

我们可以通过.close()语句，关闭该连接，同时观察TCP连接的状态。

将上述代码中close相关语句前的#去掉即可。

1.客户端断开连接，服务器端不断开，查看两边状态：

Wireshark抓包：

通过数据包可以发现，客户端发送FIN包，断开连接，服务器端返回ACK。之后客户端等待120秒后，将该链接重置。

服务器端：

服务器端收到FIN包，返回ACK包，进入CLOSE_WAIT状态。

客户端：

客户端发送FIN包，收到ACK包，进入FIN_WAIT_2状态，等待120秒后，客户端将该链接重置。

已上结果，符合预期

2.服务器端断开连接，客户端不断开

Wireshark抓包：

服务器端：

客户端

以上现象，与第一种情况正好颠倒，结果符合预期，不再赘述。在此基础上，我们发现使用sk.close()无法触发断开连接的FIN包。（这一点疑问有待后续研究）

3.客户端与服务器端均断开连接

Wireshark抓包：

服务器端：

客户端：

可以看到服务器端进入TIME_WAIT状态，客户端该连接已关闭。

通过抓包数据可以发现，数据传输完毕后，服务器端率先发送断开连接的FIN包，客户端回应ACK响应。之后客户端发起断开连接的FIN包，服务器发送ACK响应。

服务器作为最后一个返回FIN 包ACK的角色，进入TIME_WAIT状态，这是由于最后一个返回ACK的角色，担心对端没有收到其返回的ACK，所以要多等待2MSL的时间，以确保如果对端没有收到ACK而进行FIN包的重传，能够被本端正常接收。2MSL的时间，在windows中，为2min，可以在2min后，观察查看。

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重置连接的几种情况——RST

1.服务器端口没有在监听状态

Wireshark抓包:

可以看到客户端尝试建立连接，但由于服务端知道自己该端口没有在监听状态，将该连接重置。同时在客户端上可以看到，报Connection Refused 的错误。

（同时还发现，本案例中，若之前存在服务器和客户端的连接在establishe状态，想要客户端与服务器端建立新的TCP连接，客户端会发送RST将连接重置，不知为何）。

2.应用主动关闭:

Wireshark抓包

在双方都没有主动关闭连接的情况下，tcp连接维持在Establishe状态，此时主动关闭应用。应用会将该链接重置。

3.FIN_WAIT2状态接受到数据。

对程序稍作修改，在客户端程序中修改：

        if ret=='Finish!':obj.send(bytes("TESTETEST", encoding="utf-8"))#obj.close()break

Wireshark抓包：

通过wireshark抓包可以发现，在服务器端发送FIN，收到ACK，进入FIN_WAIT2状态后，客户端又发送了数据，服务器端立刻将该连接重置。

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总结：

这篇文章整理了，python是如何调用socket实现TCP连接的建立，并传送数据的。我们可以通过抓包发现TCP建立连接、断开连接的过程。同时我们通过对程序的修改，实现了对几种TCP状态的观察，包括SYN_SECT、ESTABLISHED、FIN_WAIT2、TIME_WAIT、CLOSE_WAIT状态。除此之外，我们对RST重置连接的产生，进行了初步的整理。

希望这篇文章能够对大家有所帮助。

这篇关于人生苦短，我用Python（二）—Python使用Socket实现TCP连接的建立和传输的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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