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

    TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它工作在OSI模型的传输层，旨在确保数据在IP网络中的可靠传输。以下是对TCP协议网络通讯的详细论述：

    本文主要使用**Python实现TCP协议双向网络通讯**，即服务器和客户端都可以实现信息的收发，采用多线程的方式，能够实现服务器的一对多收发信息。

一、TCP协议的基本特点

1. 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）
2. 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。
3. 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”：

1. 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。
2. 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。
3. 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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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”：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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1
        self.flag2 = 0  # 标志位2

    def 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()
                break
            else:
                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'))
                    continue

            if 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 = conn
                self.user_name[info_list[0]] = conn_node
            elif 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.sum
                self.send_to_all(msg)
            elif info_list[-1] == '-tas':
                conn_node.flag = 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.sum
                self.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:
                continue

    def 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 = 0

            if 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 = 0

if __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 = 9999
    server = 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()
                break

            if 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
                break
            else:
                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)
            return

        while 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")
                break
            else:
                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()

4.3 测试结果

运行服务器端：

运行客户端：

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