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：
1. 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。
2. 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。
3. 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：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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：
graph TDA[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：
graph TDA[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 --> D3 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。
# 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）：
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 = Trueclient_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):
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':breakdata = 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。