Linux 网络之 TCP

Linux 网络之 TCP

1. 介绍

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。它在 Linux 网络编程中占据核心地位，广泛应用于需要可靠数据传输的场景。

2. 应用使用场景

• Web 服务器：如 HTTP/HTTPS 协议基于 TCP。
• 文件传输：如 FTP、SFTP 协议。
• 数据库连接：如 MySQL、PostgreSQL 使用 TCP 进行通信。
• 实时通信：如聊天应用、视频会议（部分基于 TCP）。
• 远程登录：如 SSH 协议。

3. 不同场景下的详细代码实现

场景 1：简单的 TCP 服务器和客户端

功能：实现一个 TCP 服务器和客户端，客户端发送消息，服务器接收并回复。

服务器端代码：

import socket

def start_server(host='127.0.0.1', port=65432):
    # 创建 TCP 套接字
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as server_socket:
        # 绑定地址和端口
        server_socket.bind((host, port))
        # 监听连接
        server_socket.listen()
        print(f"服务器正在 {host}:{port} 上监听...")

        # 接受客户端连接
        conn, addr = server_socket.accept()
        with conn:
            print(f"已连接客户端：{addr}")
            while True:
                # 接收数据
                data = conn.recv(1024)
                if not data:
                    break
                print(f"收到数据：{data.decode()}")
                # 发送回复
                conn.sendall(b"已收到消息")

if __name__ == "__main__":
    start_server()

客户端代码：

import socket

def start_client(host='127.0.0.1', port=65432):
    # 创建 TCP 套接字
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as client_socket:
        # 连接到服务器
        client_socket.connect((host, port))
        # 发送数据
        client_socket.sendall(b"你好，服务器！")
        # 接收回复
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f"收到回复：{data.decode()}")

if __name__ == "__main__":
    start_client()

运行效果：

1. 启动服务器：

   服务器正在 127.0.0.1:65432 上监听...
   已连接客户端：('127.0.0.1', 12345)
   收到数据：你好，服务器！
   

2. 启动客户端：

   收到回复：已收到消息
   

场景 2：多客户端 TCP 服务器

功能：支持多个客户端同时连接，服务器为每个客户端创建一个线程处理请求。

服务器端代码：

import socket
import threading

def handle_client(conn, addr):
    with conn:
        print(f"已连接客户端：{addr}")
        while True:
            data = conn.recv(1024)
            if not data:
                break
            print(f"收到来自 {addr} 的数据：{data.decode()}")
            conn.sendall(b"已收到消息")

def start_server(host='127.0.0.1', port=65432):
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as server_socket:
        server_socket.bind((host, port))
        server_socket.listen()
        print(f"服务器正在 {host}:{port} 上监听...")

        while True:
            conn, addr = server_socket.accept()
            # 为每个客户端创建一个线程
            thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(conn, addr))
            thread.start()

if __name__ == "__main__":
    start_server()

客户端代码：

与场景 1 的客户端代码相同。

运行效果：

• 服务器可以同时处理多个客户端的连接和消息。

4. 原理解释

• TCP 的三次握手：

  1. 客户端发送 SYN 报文给服务器。
  2. 服务器回复 SYN-ACK 报文。
  3. 客户端发送 ACK 报文，连接建立。

• TCP 的四次挥手：

  1. 客户端发送 FIN 报文。
  2. 服务器回复 ACK 报文。
  3. 服务器发送 FIN 报文。
  4. 客户端回复 ACK 报文，连接关闭。

• 算法原理：

  • 可靠传输：通过序列号、确认应答、超时重传等机制保证数据可靠传输。
  • 流量控制：通过滑动窗口机制控制发送速率。
  • 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法避免网络拥塞。

• 流程图：

  客户端 -> SYN -> 服务器
  客户端 <- SYN-ACK <- 服务器
  客户端 -> ACK -> 服务器
  连接建立
  数据传输
  客户端 -> FIN -> 服务器
  客户端 <- ACK <- 服务器
  客户端 <- FIN <- 服务器
  客户端 -> ACK -> 服务器
  连接关闭
  

5. 测试步骤

1. 安装 Python（如果未安装）：

   sudo apt install python3
   

2. 运行服务器：

   python3 server.py
   

3. 运行客户端：

   python3 client.py
   

4. 检查服务器和客户端的输出是否符合预期。

6. 部署场景

• 本地测试：在本地机器上运行服务器和客户端。
• 局域网测试：将服务器部署到局域网中的一台机器，客户端从其他机器连接。
• 云服务器部署：将服务器部署到云服务器（如 AWS、阿里云），客户端从公网连接。

7. 材料链接

• Python 官方文档
• TCP/IP 详解
• Linux 网络编程

8. 总结

TCP 是网络编程中最重要的协议之一，提供了可靠的数据传输服务。通过 Python 的 socket 库，可以轻松实现 TCP 服务器和客户端。多客户端支持可以通过多线程或异步编程实现。

9. 未来展望

• 性能优化：使用异步 I/O（如 asyncio）提高服务器性能。
• 安全性增强：集成 TLS/SSL 加密通信。
• 协议扩展：支持更多应用层协议（如 HTTP、FTP）。
• 跨平台支持：将代码移植到其他语言（如 C/C++、Go）或平台（如嵌入式设备）。