计算机⽹络及TCP⽹络应⽤程序开发

一、网络基础概念

1.网络的定义与目的

定义：将具有独立功能的多台计算机通过通信设备与线路连接起来，在网络软件和协议的管理协调下，实现资源共享 和信息传递的系统。
目的：进行网络编程，开发基于网络通信的应用程序。

2. IP地址 (Internet Protocol Address)

作用：网络设备的唯一逻辑标识，用于定位和寻址。

分类：

IPv4 ：32位地址，点分十进制表示（如 192.168.1.1），地址池近乎枯竭。

IPv6 ：128位地址，十六进制表示（如 2001:0db8::1），解决IPv4地址不足问题。

查看命令 ：Linux/macOS: ifconfig，Windows: ipconfig

连通性测试 ：ping <IP或域名>

3. 端口 (Port) 与端口号 (Port Number)

端口：设备与外界通信交流的出口，是数据传输的通道。

端口号：用于标识端口的整数（0-65535）。

为什么需要端口 ：IP地址只能定位到设备，端口号才能指定设备上具体的应用程序（进程）。

分类：

知名端口 (Well-known Ports)：0-1023，分配给系统核心服务（如HTTP:80, HTTPS:443, SSH:22, FTP:21）。

动态端口 (Dynamic Ports)：1024-65535，供普通应用程序使用。

4. URL (统一资源定位符)

作用：完整描述互联网上资源地址的字符串。

标准格式 ：<协议>://<主机名>:<端口号>/<路径>?<查询参数>#<片段锚点>

示例解析 ：https://www.example.com:8080/api/users?id=1001#profile

协议(Scheme): https

主机名(Host): www.example.com

端口(Port): 8080 (HTTPS默认443，可省略)

路径(Path): /api/users

查询字符串(Query): ?id=1001

片段(Fragment): #profile (客户端使用，不发送到服务器)

概念	说明
IP地址	网络中设备的唯一逻辑地址，用于标识和定位设备。
IPv4	32位地址，点分十进制表示（如 `192.168.1.1`），约42亿个地址。
IPv6	128位地址，十六进制表示（如 `2001:0db8::1`），解决IPv4地址耗尽问题。
URL (统一资源定位符)	用于定位互联网上资源的地址。完整格式：`协议://域名:端口/路径?查询参数#锚点`

二、同源与跨域 (Same-Origin vs. Cross-Origin)

特性	同源 (Same-Origin)	跨域 (Cross-Origin)
定义	协议、域名、端口完全相同	协议、域名、端口有任一不同
示例	`https://example.com/app` 与 `https://example.com/api`	`https://example.com` 与 `http://example.com` (协议不同)
访问权限	完全访问 DOM、Cookie、AJAX 请求	默认禁止访问，受同源策略限制
解决方案	无需特殊处理	CORS (跨域资源共享)、JSONP、代理服务器、WebSocket

同源策略 (SOP)：浏览器的核心安全机制，防止恶意网站窃取另一个网站的数据。

三、Socket 套接字及使用场景

方面	说明
是什么	网络通信的端点（Endpoint），是应用程序通过网络协议进行数据交互的接口。
比喻	IP地址是地址，端口是门牌号，Socket就是连接两扇门的电话线。
使用场景	任何网络通信！包括Web服务(HTTP/HTTPS)、邮件(SMTP/POP3)、文件传输(FTP)、数据库连接、实时通信(游戏、聊天)等。
本质	封装了底层网络协议（如TCP/IP）的复杂操作，为程序员提供简单的API（如 `send()`, `recv()`, `connect()`）。

四、TCP 与 UDP 的特点与区别

特性	TCP (传输控制协议)	UDP (用户数据报协议)
连接性	面向连接 (需三次握手)	无连接 (直接发送)
可靠性	可靠传输 (确认、重传、校验)	不可靠传输 (可能丢失、乱序)
数据顺序	保证数据顺序	不保证数据顺序
速度/开销	速度慢，开销大（有控制机制）	速度快，开销小 (无控制机制)
流量控制	有 (滑动窗口)	无
应用场景	网页浏览(HTTP/S)、邮件(SMTP)、文件传输(FTP)、远程登录(SSH)	视频流、语音通话(VoIP)、在线游戏、DNS查询、直播
比喻	打电话：需要接通，确认对方听到，有条理地对话。	对讲机/发传单：直接说，不管对方是否收到，可能听不清。

五、TCP的可靠传输机制与连接管理

1 可靠传输机制

确认应答 (ACK)：接收方收到数据后必须回复确认消息。

超时重传 (Retransmission)：发送方在一定时间内未收到ACK，会重发数据。

序列号与确认号：为每个字节编号，解决乱序和重复问题。

流量控制 (Flow Control)：通过滑动窗口机制，防止发送过快导致接收方缓冲区溢出。

拥塞控制 (Congestion Control)：通过慢启动、拥塞避免等算法，避免网络过载。

2 TCP 三次握手与四次挥手

三次握手 (建立连接 - 我要和你打电话)

SYN ：客户端 -> 服务器。"你好，我能和你连接吗？" (SYN_SENT)
SYN-ACK ：服务器 -> 客户端。"收到，我可以连接，你准备好了吗？" (SYN_RCVD)
ACK ：客户端 -> 服务器。"好的，我准备好了，开始通信吧！" (ESTABLISHED)

" TCP三次握⼿" 是指在计算机⽹络中，TCP协议（传输控制协议）建⽴连接时所进⾏的⼀种过程。具体来说，它包含以下三个步骤：

第⼀次握⼿：客户端发送⼀个带有SYN（同步序列编号）标志的TCP报⽂到服务器，表示请求建⽴连接。此时客户端进⼊SYN-SENT（同步已发送）状态。
第⼆次握⼿：服务器收到客户端的SYN报⽂后，会回复⼀个带有SYN和ACK（确认）标志的TCP 报⽂给客户端，其中ACK是对客户端SYN报⽂的确认，同时服务器⾃⼰也发送⼀个SYN报⽂，表示⾃⼰也想建⽴连接。此时服务器进⼊SYN-RCVD（同步已接收）状态。
第三次握⼿：客户端收到服务器的SYN+ACK报⽂后，再发送⼀个带有ACK标志的TCP报⽂给服务器，对服务器的SYN报⽂进⾏确认。此时客户端进⼊ESTABLISHED（已建⽴连接）状态，服务器收到客户端的ACK报⽂后，也进⼊ESTABLISHED状态，⾄此TCP连接建⽴完成。

这种三次握⼿的过程可以有效防⽌出现错误的连接建⽴，确保双⽅都准备好进⾏数据传输。

四次挥手 (断开连接 - 我要挂电话了)

FIN ：客户端 -> 服务器。"我说完了，要挂电话了。" (FIN_WAIT_1)
ACK ：服务器 -> 客户端。"等等，我还没说完..." (CLOSE_WAIT / FIN_WAIT_2)
FIN ：服务器 -> 客户端。"好了，我也说完了，可以挂了。" (LAST_ACK)
ACK ：客户端 -> 服务器。"好的，再见！" (TIME_WAIT -> 等待后 CLOSED)

" TCP四次挥⼿" 是指TCP协议在断开连接时所进⾏的四次交互过程。具体如下：

第⼀次挥⼿：主机A（客户端）向主机B（服务器）发送⼀个FIN（Finish）报⽂，表示A想要关闭连接，进⼊" FIN_WAIT_1" 状态。这个FIN报⽂的序号是seq = u，u是⼀个随机的序号值。
第⼆次挥⼿：主机B收到A的FIN报⽂后，会发送⼀个ACK（Acknowledgment）报⽂给A，表示B 已经收到A的关闭连接请求。这个ACK报⽂的序号是seq = v，确认号是ack = u + 1，表示B确认了A的FIN报⽂。此时，B进⼊" CLOSE_WAIT" 状态，⽽A进⼊" FIN_WAIT_2" 状态。
第三次挥⼿：主机B在处理完⾃⼰的事务后，也会向主机A发送⼀个FIN报⽂，表示B也想要关闭连接。这个FIN报⽂的序号是seq = w，确认号是ack = u + 1。此时，B进⼊" LAST_ACK" 状态。
第四次挥⼿：主机A收到B的FIN报⽂后，会发送⼀个ACK报⽂给B，表示A已经收到B的关闭连接请求。这个ACK报⽂的序号是seq = u + 1，确认号是ack = w + 1。此时，A进⼊" TIME_WAIT" 状态，等待2MSL（Maximum Segment Lifetime）时间后，如果没有收到B的任何报⽂，A就正式关闭连接，进⼊" CLOSED" 状态。⽽B在收到A的ACK报⽂后，也进⼊" CLOSED" 状态，完成整个断开连接的过程。

TCP四次挥⼿的⽬的是确保双⽅在断开连接时能够安全、可靠地完成数据传输，并且双⽅都能明确知道对⽅已经关闭了连接

为什么挥手多一次？

因为TCP连接是全双工的，每一方向必须单独关闭。

六、TCP 网络应用程序开发总结

1 TCP 发送数据基本流程 (客户端)

代码：

python 复制代码

graph TD
    A[创建Socket对象] --> B[建立连接 connect]
    B --> C[发送数据 send]
    C --> D[关闭连接 close]

2 TCP 接收数据基本流程 (服务端)

代码：

python 复制代码

graph TD
    A[创建Socket对象] --> B[绑定IP和端口 bind]
    B --> C[设置监听 listen]
    C --> D[等待连接 accept<br>阻塞直到客户端连接]
    D -- 连接成功, 返回新Socket --> E[接收数据 recv]
    E --> F[发送响应 send]
    F --> G[关闭客户端连接 close]
    G --> D

3 核心开发流程

步骤	客户端 (Client)	服务器端 (Server)
1. 创建Socket	`socket.socket()`	`socket.socket()`
2. 绑定地址	(通常系统自动分配)	必须 `.bind((host, port))`
3. 建立连接	主动 `.connect((server_ip, server_port))`	被动 `.listen(backlog)`
4. 接受连接	-	`.accept()` -> 返回新Socket
5. 数据传输	`.send()` / `.recv()`	使用accept返回的新Socket 进行 `.send()` / `.recv()`
6. 关闭连接	`.close()`	先关新Socket，再关监听Socket

4 关键注意事项

字节流编码 ：网络传输的是字节(bytes)。发送前需.encode('utf-8')，接收后需.decode('utf-8')。
监听Socket vs 通信Socket：
- 监听Socket ：仅用于接受新连接 (accept())，不能收发数据。
- 通信Socket ：accept() 返回的新Socket，用于与特定客户端进行数据通信。
多客户端并发 ：默认的accept() -> recv() -> send()是串行的。处理多客户端必须使用 多线程 、多进程 或 I/O多路复用 (如 selectors 模块)。
连接状态判断 ：如果 recv() 返回空数据（长度为0的bytes），则表示对方已关闭连接。
端口复用：服务器重启时避免"Address already in use"错误。

python 复制代码

# 在bind()之前设置
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)

示例：

编写一个TCP回声服务器和客户端程序：

· 服务器监听本地端口8888

· 客户端连接到服务器后，用户可以输入任意字符串

· 服务器将接收到的消息原样返回给客户端

· 客户端显示服务器返回的消息

· 当用户输入"quit"时，客户端和服务器都应正常关闭连接

要求：

· 服务器能够同时处理多个客户端连接（使用多线程或多进程）

· 客户端和服务器都需要有适当的错误处理

· 代码结构清晰，有必要的注释

服务端代码（server.py）：

python 复制代码

import threading
import socket

# 关于对处理客户端的连接
def handle(new_socket, ip_port):
    print(f"新的连接：{ip_port}")

    try:
        while True:
            data = new_socket.recv(1024).decode('utf-8')
            # 判断是否收到空数据
            if not data:
                print(f"客户端 {ip_port} 断开连接")
                break
            # 打印收到的消息和客户端的信息
            print(f"收到来自 {ip_port} 的消息: {data}")
            #   检测是否有退出的请求
            if data == "quit":
                print(f"客户端 {ip_port} 请求退出连接")
                new_socket.send("服务器连接关闭".encode("utf-8"))
                break
            # 发送从客户端传过来的信息
            new_socket.send(data.encode('utf-8'))
    # 捕获异常
    except Exception as e:
        print(f"客户端 {ip_port}: 发生错误 {e}")
    finally:
        new_socket.close()
        print(f"与客户端 {ip_port} 的连接已断开")

#   启动tcp的服务端函数
def start_server(host='127.0.0.1', port=8080):
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    try:
        server_socket.bind((host, port))
        # 开始接听连接
        server_socket.listen(5)
        print(f"服务器启动, 监听: {host}:{port}")
        print("等待客户端连接...")

        while True:
            new_socket, ip_port = server_socket.accept()
            client_thread = threading.Thread(target=handle, args=(new_socket, ip_port))
            client_thread.daemon = True
            client_thread.start()
            print(f"活跃线程数: {threading.active_count()-1}")
    #   捕获异常
    except Exception as e:
        print(f"服务器错误: {e}")
    finally:
        server_socket.close()
        print("服务器已关闭")


if __name__ == '__main__':
    start_server()

客户端代码（client.py):

python 复制代码

import socket

#   启动客户端的函数
def start_client(host='127.0.0.1', port=8080):
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    try:
        client_socket.connect((host, port))
        print(f'已连接到服务器 {host}:{port}')
        print("输入消息发送到服务器, 发送quit退出")

        while True:
            message = input("请输入: ")
            client_socket.send(message.encode('utf-8'))

            if message == 'quit':
                break

            data = client_socket.recv(1024).decode('utf-8')
            print(f"服务器的回复: {data}")
    except Exception as e:
        print(f"客户端错误: {e}")
    finally:
        client_socket.close()
        print("连接已关闭")


if __name__ == '__main__':
    start_client()

六、总结

网络基础 ：理解 IP地址 (定位设备)、端口 (定位应用)、Socket (通信工具) 是网络编程的基石。

协议选择 ：根据应用场景在可靠但慢的TCP 和快速但不可靠的UDP之间做出权衡。

TCP精髓 ：其可靠性 源于复杂的机制（握手、挥手、确认、重传、控制），其开发流程围绕"建立连接->传输->关闭连接"展开。

开发关键 ：严格遵循开发流程，深刻理解字节编码 、双Socket分工 和多客户端并发处理，是写出稳定高效TCP程序的关键。

计算机⽹络及TCP⽹络应⽤程序开发

一、 网络基础概念

1.网络的定义与目的

2. IP地址 (Internet Protocol Address)

3. 端口 (Port) 与端口号 (Port Number)

4. URL (统一资源定位符)

二、同源与跨域 (Same-Origin vs. Cross-Origin)

三、Socket 套接字及使用场景

四、TCP 与 UDP 的特点与区别

五、TCP的可靠传输机制与连接管理

1 可靠传输机制

2 TCP 三次握手与四次挥手

六、TCP 网络应用程序开发总结

1 TCP 发送数据基本流程 (客户端)

2 TCP 接收数据基本流程 (服务端)

3 核心开发流程

4 关键注意事项

六、 总结

一、网络基础概念

六、总结