从事开发编程的同学们，无论Web前端开发、Web后端开发，还是搜索引擎和大数据，简直一切的开发范畴都会触及到网络编程。比方我们停止Web效劳端开发，除了Web协议自身依赖网络外，通常还需求衔接数据库，而数据库衔接通常是经过网络衔接数据库效劳器，或者数据库集群，假如负载太高还要搞个缓存集群。

我们在上学的时候根本学了网络编程和网络协议。但两者之间的详细关系可能有些摸不到头脑。这里我们首先重点引见2个概念，一个概念是网络编程，另外一个是协议。

我们晓得网络协议是一个分层的协议族，也就是是有一组协议构成，从下往上各自傲责各自的功用。那什么是协议呢？协议的字面意义是共同计议，商议。简单的了解其实就是多方停止沟通的规则。而网络协议其实就是在网络中多个计算节点停止交互、沟通的规则。假如根我们日常生活比照的话，协议能够了解为言语，比方汉语普通话。两个人交流假如都用不通话，那么彼此都能了解对方表达的企图。例如，一个人用四川话，而另外一个用浙江话，那沟通起来估量简直不太可能。网络协议也是一样的，经过对数据格式的标准化，从而使计算机之间可以彼此明白对方的企图。

下面本文引见一下网络编程，网络编程也称为socket编程，socket通常译作“套接字”，但原意其实意译应该为”接口“。也就是操作系统提供应开发人员停止网络开发的API接口。这套接口通常能够参数的调整支持多种协议，包括TCP、UDP和IP等等。下面本文从套接字编程和协议两方面分别细致的停止引见。

网络编程

为了便于了解，本文先从详细的内容开端，也就是经过一个实例引见一下网络编程是怎样回事。

本文将以TCP协议为例引见网络编程和协议之前的关系。为了简单，便于了解，本文以Python为例停止引见，假如不理解Python编程言语关系也不大，下面代码很容易了解。我们晓得在网络通讯中无论是BS架构还是CS架构，通常分为效劳端和客户端，只不过BS架构中的阅读器就是客户端。因而，本文的示例也包含效劳端和客户端2局部的代码。代码功用很简单，就是完成客户端和效劳端发送字符串。

图1 客户端效劳端通讯模型

这个代码清单是效劳端的代码，这段代码的作用就是在效劳端的某个端口树立监听，并等候客户端树立衔接。完成衔接树立后，等候客户端发送数据，并将数据回传给客户端。

#!/usr/bin/env python3
#-*- coding:utf-8 -*-
from socket import *
from time import ctime
host = ''
port = 12345
buffsize = 2048
ADDR = (host,port)
# 创立一个基于TCP协议的套接字
tctime = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tctime.bind(ADDR)
# 在指定的地址和端口监听
tctime.listen(3)
while True:
 print('Wait for connection ...')
 tctimeClient,addr = tctime.accept()
 print("Connection from :",addr)
 while True:
 data = tctimeClient.recv(buffsize).decode()
 if not data:
 break
 tctimeClient.send(('[%s] %s' % (ctime(),data)).encode())
 tctimeClient.close()
tctimeClient.close()

阅读效劳端的代码能够看出主要包括，socket、bind、listen、accept、recv和send几个。其中值得关注的是listen和accept，两者分别用于监听端口和承受客户端的衔接恳求。

下面代码清单是客户端的完成，这里特别的中央是有一个connect函数，该函数完成与效劳端树立衔接。

#!/usr/bin/env python3
#-*- coding:utf-8 -*-
from socket import *
HOST ='localhost'
PORT = 12345
BUFFSIZE=2048
ADDR = (HOST,PORT)
tctimeClient = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tctimeClient.connect(ADDR)
while True:
 data = input(">")
 if not data:
 break
 tctimeClient.send(data.encode())
 data = tctimeClient.recv(BUFFSIZE).decode()
 if not data:
 break

 print(data)
tctimeClient.close()

经过上述示例代码能够看出效劳端通常是被动的，而客户端则要主动一些。效劳端程序树立对某个端口的监听，等候客户端的衔接恳求。客户端向效劳端发送衔接恳求，不出不测的状况下衔接树立胜利，这时客户端和效劳端之前就能够互发数据了。当然，在实践消费环境中不测是经常的，因而从协议和接口层面，需求处置各种不测，本文在协议局部将细致引见。

另外，本文完成了一个根本的客户端和效劳端通讯的程序，这个形式的通讯在实践消费中简直不再运用。在实践消费中为了进步数据传输和处置的效率，通常采用异步形式，这些内容超出了本文的引见范围，后续文章会逐步引见。

TCP协议详解

前文说了网络协议是网络中不同计算机信息通讯的言语，为了完成交互，这个言语就需求有一定的格式。本文以TCP协议为例停止引见。

TCP协议是一个牢靠的传输协议，其牢靠性表如今2方面，一方面是保证数据包能够依照发送的次第抵达，另外一方面是保证数据包一定水平的正确性（后文详解为什么是一定水平上的正确性）。其牢靠性的完成则基于2点技术，一点是具有一个CRC校验，这样假如数据包中的某些数据呈现错误能够经过该校验和发现；另外一点是每个数据包都有一个序号，这样就能保证数据包的次第性，假如呈现错位的数据包能够恳求重发。

既然说到了格式，那我们先看一下TCP数据包的数据格式。如下图是TCP数据包的格式，包括原端口、目的端口、序列号和标识位等等内容，内容有些多，看着可能有点眼花。但从大的方面了解，这个数据包其实只包含2局部内容，一个是包头，另外一个则是详细需求传输的数据。在TCP协议的控制逻辑中，包头起着最为关键的作用，它是TCP协议中诸如树立衔接、断开衔接、重传和错误校验等各种特性的根底。

图2 TCP数据包格式

包头的其它信息的含义都比拟明了，本文仅仅引见几个标志位（URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN）的含义。详细含义如下：

• ACK: 确认序号有效。
• RST：重置衔接
• SYN：发起一个新衔接
• FIN：释放一个衔接

衔接的树立

TCP在详细传输数据之前需求树立衔接。这里的衔接并不是物理衔接，物理衔接基于底层的协议曾经树立完成，而且TCP树立衔接也是要假定底层衔接曾经胜利，TCP的衔接其实是一个虚拟的，逻辑的衔接。简单粗暴的了解，就是客户端和效劳端分别记载了各自承受到的数据包的序号，并且将本身设置为某种状态。在TCP协议中，衔接的树立通常成为3次握手，从字面的概念能够看出，衔接的树立需求经过3次确认的过程。

图3 树立衔接的3次握手

TCP协议3次握手的过程如图所示，初始状态客户端和效劳端都处于关闭状态。主要过程分为3步：

1. 客户端发送预衔接数据包： TCP的衔接是由客户端主动发起树立，客户端会发送一个数据包（报文）给效劳端，需求留意的是数据包中的SYN标识位为1。我们前文曾经引见，假如SYN为1，则阐明为树立衔接的数据包。同时，在该数据包中包含一个恳求序列号，该序列号也是树立衔接的根据。
2. 效劳端回复衔接确认： 效劳端确认能够树立衔接（效劳端不一定能够树立衔接，由于系统中套接字的数量是有限的）的状况下会向客户端发送一个应对数据包。在应对数据包中会将ACK标志位设置为1，表示为效劳端应对数据包。同时，在应对数据包中会设置恳求序列号和应对序列号的值，详细参考图3.
3. 客户端回复衔接确认： 最后，客户端再次发送一个衔接确认数据包，通知效劳端衔接树立胜利。

从上面流程能够看出，衔接的树立需求经过屡次交互，这就是我们日常中所说的树立衔接是高本钱的操作。在实践消费环境中，为了应对这个问题，会减少衔接树立的频度，通常的做法是树立衔接池，传输数据时直接从衔接池中获取衔接，而不是新建衔接。

有人可能觉得能够对树立衔接的过程停止优化，比方将客户端最后一次确实认取消掉，觉得这个没有卵用。关于正常状况的确没有多大的作用，这里主要是应对异常状况。由于网络拓扑是十分复杂的，特别是在广域网中，有着数不清的网络节点，因而会呈现各种异常状况。因而，TCP协议在设计的时分必需要保证异常状况下的牢靠性。

我们这里举一个例子，就是衔接恳求超时的状况。假定客户端向效劳端发送一个衔接恳求，由于各种缘由，恳求不断没有抵达效劳端，因而效劳端也就没有回复衔接确认音讯。客户端衔接超时，因而客户端重新发送一个衔接恳求到效劳端，这次比拟顺利，很快抵达了，并且顺利树立了衔接。之后，前一个数据包经过长途跋涉最终还是到了效劳端，效劳端也向客户端发送了回复数据包，效劳端以为衔接是树立胜利的，并且会维持衔接。但客户端层面以为衔接是超时的，因而将永远不会关闭该衔接。这样就会形成效劳端有残留的资源，从而形成效劳端资源糜费，一朝一夕可能会招致效劳端无新衔接资源可用。

另外一个需求阐明的是客户端和效劳端的套接字都有相应的状态，而且状态会随着衔接的不同阶段变化。初始状态都是CLOSE，最终衔接树立胜利后都是ESTABLISHED,详细变化过程如图3所示。后面本文会细致引见状态变化状况。

传输数据

完成衔接树立之后，客户端和效劳端就能够停止数据传输了。我们晓得TCP是牢靠的传输，那么传输的牢靠性是经过什么来保证的呢？主要就是经过包头中的校验和、恳求序列号和应对序列号（参考图2）。

TCP数据内容的牢靠性是经过校验和保证的。TCP在发送数据时都会计算整个数据包的校验和，并存储在包头的校验和字段中。接纳方会依照规则停止计算，从而确认接纳到的数据能否是正确的。发送发计算校验和的流程大约如下：

1. 把伪首部、TCP包头和TCP数据分为16为的字，并把TCP包头中的校验和字段置0
2. 用反码加法累加一切16位数字
3. 对计算结果去反，将其填充到TCP包头的校验和字段

接纳方将一切原码相加，高位叠加，假如全为1则表示数据正确，否则阐明数据有错误。

TCP数据包次第的牢靠性是经过恳求序列号和应对序列号保证的。在数据传输中的每个恳求都会有一个恳求序列号，而在接纳方接纳到数据后会发送一个应对序列号，这样发送方就能晓得数据能否被正确接纳，而接纳方也能晓得数据能否呈现乱序，从而保证数据包的次第性。

断开衔接

TCP关闭衔接分为4步，称为4次挥手。衔接的关闭不一定是在客户端发起，效劳端也能够发起关闭衔接。关闭衔接的过程如下：

1. 发起方发送一个FIN置位的数据包,用来恳求关闭发送方到接纳方的衔接
2. 接纳方发送一个应对，ACK标志位为1，确认关闭。此时完成了发起方到接纳方的衔接，也即发送方无法再向接纳方发送数据，但接纳方还能够向发送方发送数据。
3. 接纳方数据传输完成后向发起方发送一个FIN为1的包，表示恳求断开衔接
4. 发起方回复一个ACK包，确认关闭胜利

图4 关闭衔接流程表示图

TCP是全双工通讯，因而关闭衔接时需求双向关闭衔接。首先是关闭发起方关闭本端的衔接，然后是关闭接纳方在收到发起方的关闭恳求后，除了回复关闭应对外，还要确保数据传输完成后发起一个关闭衔接的恳求，保证双向同时关闭。