一個指令碼，既可以提升你python，又可以讓你掌握TCP~

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前言

大家好，這裏是 浩道Linux ，主要給大家分享 L inux 、 P ython 、 網路通訊、網路安全等 相關的IT知識平台。

今天浩道跟大家分享一個python指令碼，學完既可以讓你python編程能力得到提升，又可以讓你的TCP知識得到回顧。

文章來源：

https://ciphersaw.me/2018/05/23/python-trick-tcp-server-and-client/

一、前言

「網路」一直以來都是黑客最熱衷的競技場。數據在網路中肆意傳播：主機掃描、程式碼註入、網路嗅探、數據篡改重放、拒絕服務攻擊……黑客的功底越深厚，能做的就越多。

Python 作為一種解釋型手稿語言，自 1991 年問世以來，其簡潔、明確、可讀性強的語法深受黑客青睞，特別在網路工具的編寫上，避免了繁瑣的底層語法，沒有對執行速度的高效要求，使得 Python 成為安全工作者的必備殺手鐧。

本文先介紹因特網的核心協定 TCP ，再以 Python 的 socket 模組為例介紹網路套接字，最後給出 TCP 伺服器與客戶端的 Python 指令碼，並演示兩者之間的通訊過程。

二、TCP 協定

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協定）是一種面向連線、可靠的、基於字節流的傳輸層通訊協定。

TCP 協定的執行過程分為 連線建立 （Connection Establishment）、 數據傳送 （Data Transfer）和 連線終止 （Connection Termination）三個階段，其中「連線建立」與「連線終止」分別是耳熟能詳的 TCP 協定 三次握手 （TCP Three-way Handshake）與 四次揮手 （TCP Four-way Handshake），也是理解本文 TCP 伺服器與客戶端通訊過程的兩個核心階段。

為了能更好地理解下述過程，對 TCP 協定頭的關鍵區段做以下幾點說明：

2.1 連線建立（Connection Establishment）

所謂的「三次握手」，即 TCP 伺服器與客戶端成功建立通訊連線必經的三個步驟，共需透過三個報文完成。

一般而言，首先發送 SYN 報文的一方是客戶端，伺服器則是監聽來自客戶端的建立連線請求。

Handshake Step 1

客戶端向伺服器發送 SYN 報文（SYN = 1）請求建立連線。

此時報文的初始序列號為seq = x ，確認號為 ack = 0。發送完畢後，客戶端進入 SYN_SENT 狀態。

Handshake Step 2

伺服器接收到客戶端的 SYN 報文後，發送 ACK + SYN 報文（ACK = 1，SYN = 1，）確認客戶端的建立連線請求，並也向其發起建立連線請求。

此時報文的序列號為seq = y ，確認號為ack = x + 1 。發送完畢後，伺服器進入 SYN_RCVD 狀態。

Handshake Step 3

，發送 ACK 報文（ACK = 1）確認伺服器的建立連線請求。

此時報文的序列號為seq = x + 1 ，確認號為 ack = y + 1 。發送完畢後，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態；當伺服器接收該報文後，也進入了 ESTABLISHED 狀態。

至此，「三次握手」過程全部結束，TCP 通訊連線成功建立。

讀者可參照以下「三次握手」的示意圖進行理解：

2.2 連線終止（Connection Termination）

所謂的「四次揮手」，即 TCP 伺服器與客戶端完全終止通訊連線必經的四個步驟，共需透過四個報文完成。

由於 TCP 通訊連線是 全雙工 的，因此每個方向的連線可以單獨關閉，即可視為一對「二次揮手」，或一對單工連線。主動先發送 FIN 報文的一方，意味著想要關閉到另一方的通訊連線，即在此方向上不再傳輸數據，但仍可以接收來自另一方傳輸過來的數據，直到另一方也發送 FIN 報文，雙方的通訊連線才完全終止。

註意，首先發送 FIN 報文的一方，既可以是客戶端，也可以是伺服器 。下面以客戶端先發起關閉請求為例，對「四次揮手」的過程進行講解。

Handshake Step 1

當客戶端不再向伺服器傳輸數據時，則向其發送 FIN 報文（FIN = 1 ）請求關閉連線。

此時報文的初始序列號為seq = u ，確認號為ack = 0 （若此報文中ACK = 1 ，則ack 的值與客戶端的前序接收報文有關）。發送完畢後，客戶端進入 FIN_WAIT_1 狀態。

Handshake Step 2

伺服器接收到客戶端的 FIN 報文後，發送 ACK 報文（ACK = 1 ）確認客戶端的關閉連線請求。

此時報文的序列號為seq = v ，確認號為 ack = u + 1。發送完畢後，伺服器進入 CLOSE_WAIT 狀態；當客戶端接收該報文後，進入 FIN_WAIT_2 狀態。

註意，此時 TCP 通訊連線處於 半關閉 狀態，即客戶端不再向伺服器傳輸數據，但仍可以接收伺服器傳輸過來的數據。

Handshake Step 3

FIN + ACK 報文（FIN = 1，ACK = 1）請求關閉連線。此時報文的序列號為seq = w （若在半關閉狀態，伺服器沒有向客戶端傳輸過數據，則seq = v + 1 ），確認號為 ack = u + 1。發送完畢後，伺服器進入 LAST_ACK 狀態。

Handshake Step 4

客戶端接收到伺服器的 FIN + ACK 報文後，發送 ACK 報文（ACK = 1）確認伺服器的關閉連線請求。

此時報文的序列號為 seq = u + 1，確認號為 ack = w + 1。發送完畢後，客戶端進入 TIME_WAIT 狀態；當伺服器接收該報文後，進入 CLOSED 狀態；當客戶端等待了 2MSL 後，仍沒接到伺服器的響應，則認為伺服器已正常關閉，自己也進入 CLOSED 狀態。

至此，「四次揮手」過程全部結束，TCP 通訊連線成功關閉。

讀者可參照以下「四次揮手」的示意圖進行理解：

三、Network Socket

Network Socket （網路套接字）是電腦網路中行程間通訊的數據流端點，廣義上也代表作業系統提供的一種行程間通訊機制。

行程間通訊 （Inter-Process Communication，IPC）的根本前提是 能夠唯一標示每個行程 。在本地主機的行程間通訊中，可以用 PID（行程 ID）唯一標示每個行程，但 PID 只在本地唯一，在網路中不同主機的 PID 則可能發生沖突，因此采用 「IP 地址 + 傳輸層協定 + 埠號」 的方式唯一標示網路中的一個行程。

小貼士：網路層的 IP 地址可以唯一標示主機，傳輸層的 TCP/UDP 協定和埠號可以唯一標示該主機的一個行程。註意，同一主機中 TCP 協定與 UDP 協定的可以使用相同的埠號。

所有支持網路通訊的程式語言都各自提供了一套 socket API，下面以 Python 3 為例，講解伺服器與客戶端建立 TCP 通訊連線的互動過程：

腦海中先對上述過程產生一定印象後，更易於理解下面兩節 TCP 伺服器與客戶端的 Python 實作。

四、TCP 伺服器

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket
import threading
def tcplink(conn, addr):
print("Accept new connection from %s:%s" % addr)
 conn.send(b"Welcome!\n")
while True:
conn.send(b"What's your name?")
data = conn.recv(1024)
if data == b"exit":
conn.send(b"Good bye!\n")
break
conn.send(b"Hello %s!\n" % data)
 conn.close()
print("Connection from %s:%s is closed" % addr)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind(("127.0.0.1", 6000))
s.listen(5)
print("Waiting for connection...")
while True:
 conn, addr = s.accept()
 t = threading.Thread(target = tcplink, args = (conn, addr))
 t.start()



五、TCP 客戶端

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect(("127.0.0.1", 6000))
print(s.recv(1024).decode())
data = "client"
while True:
if data:
print(s.recv(1024).decode())
 data = input("Please input your name: ")
if not data:
continue
 s.send(data.encode())
print(s.recv(1024).decode())
if data == "exit":
break
s.close()



六、TCP 行程間通訊

將 TCP 伺服器與客戶端的指令碼分別命名為 tcp_server.py 與 tcp_client.py，然後存至桌面，筆者將在 Windows 10 系統下用 PowerShell 進行演示。

小貼士：讀者進行復現時，要確保本機已安裝 Python 3，註意筆者已將預設的啟動路徑名 python 改為了 python3。

單伺服器 VS 單客戶端

單伺服器 VS 多客戶端

七、Python API Reference

socket 模組

本節介紹上述程式碼中用到的內建模組 socket，是 Python 網路編程的核心模組。

socket() 函式

socket() 函式用於建立網路通訊中的套接字物件。函式原型如下：

socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)


family 參數代表地址族（Address Family），預設值為 AF_INET，用於 IPv4 網路通訊，常用的還有 AF_INET6，用於 IPv6 網路通訊。family 參數的可選值取決於本機作業系統。
type 參數代表套接字的型別，預設值為 SOCK_STREAM，用於 TCP 協定（面向連線）的網路通訊，常用的還有 SOCK_DGRAM，用於 UDP 協定（無連線）的網路通訊。
proto 參數代表套接字的協定，預設值為 0，一般忽略該參數，除非 family 參數為 AF_CAN，則 proto 參數需設定為 CAN_RAW 或 CAN_BCM。
fileno 參數代表套接字的檔描述符，預設值為 None，若設定了該參數，則其他三個參數將會被忽略。建立完套接字物件後，需使用物件的內建函式完成網路通訊過程。註意，以下函式原型中的「socket」是指 socket 物件，而不是上述的 socket 模組。

bind() 函式

bind() 函式用於向套接字物件繫結 IP 地址與埠號。註意，套接字物件必須未被繫結，並且埠號未被占用，否則會報錯。函式原型如下：

socket.bind(address)


address 參數代表套接字要繫結的地址，其格式取決於套接字的 family 參數。若 family 參數為 AF_INET，則 address 參數列示為二元組 (host, port)，其中 host 是用字串表示的主機地址，port 是用整型表示的埠號。

listen() 函式

listen() 函式用於 TCP 伺服器開啟套接字的監聽功能。函式原型如下：

socket.listen([backlog])


backlog 可選參數代表套接字在拒絕新連線之前，作業系統可以掛起的最大連線數。backlog 參數一般設定為 5，若未設定，系統會為其自動設定一個合理的值。

connect() 函式

connect() 函式用於 TCP 客戶端向 TCP 伺服器發起連線請求。函式原型如下：

socket.connect(address)


address 參數代表套接字要連線的地址，其格式取決於套接字的 family 參數。若 family 參數為 AF_INET，則 address 參數列示為二元組 (host, port)，其中 host 是用字串表示的主機地址，port 是用整型表示的埠號。

accept() 函式

accept() 函式用於 TCP 伺服器接受 TCP 客戶端的連線請求。函式原型如下：

socket.accept()


accept() 函式的返回值是二元組 (conn, address)，其中 conn 是伺服器用來與客戶端互動數據的套接字物件，address 是客戶端的 IP 地址與埠號，用二元組 (host, port) 表示。

send() 函式

send() 函式用於向遠端套接字物件發送數據。註意，本機套接字必須與遠端套接字成功連線後才能使用該函式，否則會報錯。可見，send() 函式只能用於 TCP 行程間通訊，而對於 UDP 行程間通訊應該用 sendto() 函式。函式原型如下：

socket.send(bytes[, flags])


bytes 參數代表即將發送的 bytes 物件數據。例如，對於字串 "hello world!" 而言，需要用 encode() 函式轉換為 bytes 物件 b"hello world!" 才能進行網路傳輸。
flags 可選參數用於設定 send() 函式的特殊功能，預設值為 0，也可由一個或多個預定義值組成，用位或操作符 | 隔開。詳情可參考 Unix 函式手冊中的 send(2)，flags 參數的常見取值有 MSG_OOB、MSG_EOR 、MSG_DONTROUTE等。
send() 函式的返回值是發送數據的字節數。

recv() 函式

recv() 函式用於從遠端套接字物件接收數據。註意，與 send() 函式不同，recv() 函式既可用於 TCP 行程間通訊，也能用於 UDP 行程間通訊。函式原型如下：

socket.recv(bufsize[, flags])


bufsize 參數代表套接字可接收數據的最大字節數。註意，為了使硬體裝置與網路傳輸更好地匹配，bufsize 參數的值最好設定為 2 的冪次方，例如 4096。
flags 可選參數用於設定 recv() 函式的特殊功能，預設值為 0，也可由一個或多個預定義值組成，用位或操作符 | 隔開。詳情可參考 Unix 函式手冊中的 recv(2)，flags 參數的常見取值有 MSG_OOB、MSG_PEEK、MSG_WAITALL 等。
recv() 函式的返回值是接收到的 bytes 物件數據。例如，接收到 bytes 物件 b"hello world!"，最好用 decode() 函式轉換為字串 "hello world!" 再打印輸出。

close() 函式

close() 函式用於關閉本地套接字物件，釋放與該套接字連線的所有資源。

socket.close()


threading 模組

本節介紹上述程式碼中用到的內建模組 threading，是 Python 多執行緒的核心模組。

Thread() 類

Thread() 類可以建立執行緒物件，用於呼叫 start() 函式啟動新執行緒。類原型如下：

class threading.Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None)


start() 函式

start() 函式用於開啟執行緒活動。函式原型如下：

Thread.start()


註意，每個執行緒物件只能呼叫一次 start() 函式，否則會導致 RuntimeError 錯誤。

八、總結

本文介紹了 TCP 協定與 socket 編程的基礎知識，再用 Python 3 實作並演示了 TCP 伺服器與客戶端的通訊過程，其中還運用了簡單的多執行緒技術，最後將指令碼中涉及到的 Python API 做成了的參考索引，有助於理解實作過程。

筆者水平有限，若文中出現不足或錯誤之處，還望大家不吝相告，多多包涵，歡迎讀者前來交流技術，感謝閱讀。

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