TCP协议双向网络通讯---Python实现

本篇文章是博主在人工智能、网络通讯等领域学习时，用于个人学习、研究或者欣赏使用，并基于博主对人工智能等领域的一些理解而记录的学习摘录和笔记，若有不当和侵权之处，指出后将会立即改正，还望谅解。文章分类在Python：

Python（1）---《TCP协议双向网络通讯---Python实现》

TCP协议双向网络通讯---Python实现

一、TCP协议的基本特点

面向连接：TCP协议在数据传输之前，必须先在通信双方之间建立连接。这种连接是一对一的，即一个TCP连接只能有两个端点。连接建立后，双方可以开始传输数据，直到连接被关闭。（使用多线程可以实现一对多等）
可靠性：TCP协议通过一系列机制来确保数据的可靠传输。这些机制包括序列号、确认应答、超时重传、流量控制等。TCP协议能够确保数据无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。
基于字节流：TCP协议将应用程序交下来的数据看成是一连串的无结构的字节流。TCP不关心应用程序写入数据的含义和内容，它只负责将这些数据以字节流的形式发送到对方。

二、TCP协议的连接过程

TCP协议的连接过程通常被称为“三次握手”：

第一次握手：客户端发送一个SYN（同步序列号）报文段到服务器，并在这个报文段中设置序列号字段的值。此时，客户端进入SYN_SENT状态。
第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段后，发送一个SYN/ACK（同步/确认）报文段给客户端，确认客户端的SYN报文段，并设置自己的序列号。此时，服务器进入SYN_RCVD状态。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN/ACK报文段后，发送一个ACK（确认）报文段给服务器，确认服务器的SYN/ACK报文段。此时，客户端和服务器都进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，TCP连接成功建立。

三、TCP协议的数据传输过程

TCP协议在数据传输过程中，通过序列号、确认应答等机制来确保数据的可靠传输。

序列号：TCP头部的序列号用于确保数据的有序传输。它表示在这个TCP段中的第一个字节的序号。在建立连接时，双方都随机生成一个初始序列号（ISN），并以此作为后续数据传输的基准。
确认应答：TCP头部中的确认应答号是接收端期望收到的下一个字节的序列号。发送端收到确认应答后，可以认为所有在此之前的序列号的包已经被接收。
超时重传：如果发送方在一定时间内没有收到接收方的确认应答，就会认为该报文段已经丢失，并重新发送该报文段。
流量控制：TCP协议通过窗口大小来控制发送方的数据流量，以适应接收方的处理能力。接收方在确认应答中告知发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值来控制数据的发送量。
拥塞控制：TCP协议还通过拥塞控制机制来防止网络过载。当网络拥塞时，TCP会减慢数据的发送速率，以减轻网络的负担。

四、TCP协议的连接关闭过程

TCP协议的连接关闭过程通常被称为“四次挥手”：

第一次挥手：客户端发送一个FIN（结束连接）报文段给服务器，表示客户端没有数据要发送了，请求关闭连接。此时，客户端进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手：服务器收到客户端的FIN报文段后，发送一个ACK报文段给客户端，确认收到客户端的FIN报文段。此时，服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。
第三次挥手：服务器在关闭连接前，如果还有数据要发送给客户端，可以继续发送数据。当服务器没有数据要发送时，发送一个FIN报文段给客户端，表示服务器也没有数据要发送了，请求关闭连接。此时，服务器进入LAST_ACK状态。
第四次挥手：客户端收到服务器的FIN报文段后，发送一个ACK报文段给服务器，确认收到服务器的FIN报文段。此时，客户端和服务器都进入CLOSED状态，TCP连接成功关闭。

五、TCP协议的安全挑战与防范策略

尽管TCP协议在设计之初就考虑到了数据传输的可靠性和安全性，但随着网络技术的不断发展，TCP协议也面临着越来越多的安全挑战。例如，TCP建立连接需要经历三次握手过程，这个过程中存在被恶意利用的风险；TCP协议本身并不提供加密功能，因此数据在传输过程中容易被截获和篡改。

为了保障TCP协议的安全性，可以采取以下防范策略：

使用SSL/TLS等加密协议对TCP通信进行加密处理，确保数据在传输过程中的安全性和完整性。
通过限制SYN请求频率、限制连接数量等措施来防止SYN Flood攻击等恶意攻击。
对于接收到的TCP数据包，要验证其来源是否合法，防止伪造数据

六、Python编程实现

4.1TcpServer服务器端代码

import socket  # 导入socket模块，用于网络通信
from threading import Thread  # 导入Thread类，用于多线程处理
import time  # 导入time模块，用于时间操作
import sys  # 导入sys模块，用于系统相关操作
import random  # 导入random模块，用于生成随机数# 创建存储对象
class Node:def __init__(self):self.Name = None    # 用户名self.Thr = None     # 套接字连接对象self.flag = 0       # 标志位class TcpServer:user_name = {}  # 存储用户信息； dict 用户名：Node对象def __init__(self, port):"""初始化服务器对象port:   服务器端口"""self.server_port = port      # 服务器端口self.tcp_socket = socket.socket()       # tcp套接字self.tcp_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)       # 端口重用self.tcp_socket.bind(self.server_port)self.sum = 0    # 总数初始值self.flag1 = 0  # 标志位1self.flag2 = 0  # 标志位2def start(self):"""启动服务器"""self.tcp_socket.listen(100)      # 设置服务器接受的链接数量print(self.get_time(), "系统：等待连接")timer = Thread(target=self.timer_to_order)    # 创建定时发送线程timer.start()syn = Thread(target=self.syn_to_order)        # 创建同步发送线程syn.start()while True:try:# 监听客户端的地址和发送的消息conn, addr = self.tcp_socket.accept()       # 返回值为套接字和网络地址except KeyboardInterrupt:       # 按下ctrl+c会触发此异常self.tcp_socket.close()     # 关闭套接字sys.exit("\n" + self.get_time() + "系统：服务器安全退出！")        # 程序直接退出，不捕捉异常except Exception as e:print(e)continue# 为当前链接创建线程t = Thread(target=self.do_request, args=(conn, ))t.start()def do_request(self, conn):"""监听客户端传送的消息，并将该消息发送给所有用户"""conn_node = Node()while True:recv_data = conn.recv(1024).decode('utf-8').strip()     # 获取客户端发来的数据# print(recv_data)info_list = recv_data.split(" ")        # 切割命令# print(info_list)# 如果接收到命令为exit，则表示该用户退出，删除对应用户信息，关闭连接if recv_data == "exit":msg = self.get_time() + " 系统：用户" + conn_node.Name + "退出控制系统！"print(msg)self.send_to_other(conn_node.Name, msg)conn.send('exit'.encode("utf-8"))self.user_name.pop(conn_node.Name)conn.close()breakelse:try:A = info_list[-2], info_list[-1]except IndexError:conn.send((self.get_time() + ' 系统：无法识别您的指令，请重新输入！').encode('gb2312'))continueif info_list[-1] == '-n':# 新用户注册print(self.get_time() + ' 系统：' + info_list[0] + '连接成功')data_info = self.get_time() + ' 系统：' + info_list[0] + '加入了控制系统'self.send_to_all(data_info)conn.send('OK'.encode('utf-8'))conn_node.Name = info_list[0]conn_node.Thr = connself.user_name[info_list[0]] = conn_nodeelif info_list[-1] == '-ta':# 群发消息# msg = self.get_time() + ' %s：' % conn_node.Name + ' '.join(info_list[:-1])self.sum = self.sum + int(info_list[0])msg = self.get_time() + ' %s：贡献' % conn_node.Name + ' '.join(info_list[:-1]) + '。总数：%d' % self.sumself.send_to_all(msg)elif info_list[-1] == '-tas':conn_node.flag = 1self.sum = self.sum + int(info_list[0])msg = self.get_time() + ' %s：贡献' % conn_node.Name + ' '.join(info_list[:-1]) + '。总数：%d' % self.sumself.send_to_all(msg)def send_to_all(self, msg):"""对所有用户发送消息"""print(msg)for i in self.user_name.values():i.Thr.send(msg.encode('utf-8'))def send_to_other(self, name, msg):"""对除了当前发送信息的用户外的其他用户发送消息"""# print("收到消息:" + msg)for n in self.user_name:if n != name:self.user_name[n].Thr.send(msg.encode('utf-8'))else:continuedef get_time(self):"""返回当前系统时间"""return '[' + time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime()) + ']'# 服务器定时发送指令def timer_to_order(self):while True:for i in self.user_name.values():msg = '{}'.format(random.randint(1, 10)) + ' -ord'print('\n给客户端发送定时指令: %s' % msg)i.Thr.send(msg.encode('utf-8'))time.sleep(30)  # 30s定时发送一次# 服务器同步发送指令def syn_to_order(self):while True:flag_sum = 0  # 标志位总和for key in self.user_name:  # 获得字典的键flag_sum += self.user_name[key].flag  # 计算各客户端的flag位time.sleep(0.01)  # 延迟10s，防止迭代时，字典数量改变if flag_sum == len(self.user_name) and flag_sum != 0:  # 判断服务器是否都接受到flag标志end_flag = 1  # 终值标志位else:end_flag = 0if end_flag:print("\n")for i in self.user_name.values():msg = '{}'.format(random.randint(1+self.sum, 10+self.sum)) + ' -ord'print('===给客户端发送特殊指令: %s' % msg)i.Thr.send(msg.encode('utf-8'))i.flag = 0if __name__ == '__main__':HOST = "127.0.0.1"  # 主机回送地址,测试使用# HOST = '192.168.8.111'  # 局域网ip地址，实际情况使用POST = 9999server = TcpServer((HOST, POST))server.start()

4.2 TcpClient客户端代码

（可以新建多个客户端）

import socket  # 导入socket模块，用于网络通信
from threading import Thread  # 导入Thread类，用于多线程处理
import time  # 导入time模块，用于时间操作class TcpClient:server_addr = ('127.0.0.1', 9999)  # 服务器地址和端口order = 2  # 初始指令数def __init__(self):self.tcp_cli_socket = socket.socket()  # 创建TCP客户端套接字def msg_recv(self):"""接收数据"""while True:data = self.tcp_cli_socket.recv(1024).decode('utf-8').strip()  # 接收数据并解码info_list = data.split(" ")  # 切割命令if data == "exit":print('客户端退出')self.tcp_cli_socket.close()breakif info_list[-1] == '-ord':if int(info_list[0])/2.0 == int(int(info_list[0])/2):print('\033[1;32m通过\033[0m')  # 在控制台中打印通过信息（绿色）print("接收可行指令，并更新标志数为:", int(info_list[0]))  # 打印接收到的指令信息self.order = int(int(info_list[0])/2.0)  # 更新指令数else:print('不通过')  # 打印不通过信息else:print(data)  # 打印其他接收到的数据def msg_send(self):"""发送数据"""while True:data_info = input("请发送指令：")  # 用户输入指令if data_info == "exit":self.tcp_cli_socket.send(data_info.encode("utf-8"))  # 发送退出指令breakelse:self.tcp_cli_socket.send((data_info + ' -ta').encode("utf-8"))  # 发送带有标志的指令def order_send(self):"""定时发送指令"""while True:time.sleep(5)  # 每隔5秒发送一次指令self.tcp_cli_socket.send(('{}'.format(self.order) + ' -tas').encode("utf-8"))  # 发送同步指令print("给服务器发送指令：%d" % self.order)  # 打印发送的指令数def start(self):"""连接服务器"""try:self.tcp_cli_socket.connect(self.server_addr)  # 连接服务器except Exception as e:print("连接失败，请重试！")self.tcp_cli_socket.close()print(e)returnwhile True:name = input("输入客户端编号：")  # 输入客户端编号self.tcp_cli_socket.send((name + ' -n').encode('utf-8'))  # 发送注册指令data = self.tcp_cli_socket.recv(128).decode('utf-8')  # 接收服务器返回信息print(data)  # 打印返回信息if data == "OK":print("你已成功进入服务器")breakelse:print(data)t = Thread(target=self.msg_recv)  # 创建信息接收线程t.start()t1 = Thread(target=self.msg_send)  # 创建信息发送线程t1.start()t2 = Thread(target=self.order_send)  # 创建定时指令发送线程t2.start()if __name__ == '__main__':client = TcpClient()client.start()