从编程角度看TCP协议(4)python与tcp的三次握手

最新推荐文章于 2025-04-21 10:12:54 发布

薄荷_红茶

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分类专栏： # python与网络安全

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本文深入解析TCP连接特性及三次握手过程，包括其状态机变化、参数协商及Python实现方式，对比UDP无连接特性，阐述TCP的流控机制与选择确认机制。

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1 tcp的连接特性

对于tcp或者udp稍微了解一点的同学，肯定知道一句话，tcp是基于连接的，而udp是无连接的。怎么理解这句话呢？

无论tcp还是udp，都是用来传输数据的一种协议，都处于网络层之上的传输层。也都需要通信双方的重新向操作系统申请端口，这是通信的前提。

但不一样的是，udp发送方收到上层应用层程序（不一定非得是应用层协议，也可以自己写的网络程序）需要发送的数据后，直接发送出去，无论接收方是否收到，反正有数据给我，我就发送。

而tcp在发送数据之前，是需要先通过三次握手建立连接的。在发送过程中，要求收到数据后的一方回复ACK，以示收到数据。发送完成后，可以通过四次挥手关闭连接，也可以维持连接等待下一次数据的发送(也就是所谓的TCP长连接)。

还有一点要说明的是，udp跟ip协议是不区分客户端和服务器的，也就是说它提供的是P2P的通信。虽然我们平时所见的，基于udp上的dns、tftp、dhcp、radius等等应用层协议有客户端和服务器之分，那那也是应用层协议自己设计如此，udp本身是不区分的。

tcp是区分客户端和服务器的，三次握手建立连接的过程，一定是客户端主动发起的，而服务器是被动响应。四次挥手拆掉连接的过程，既可以是客户端主动发起，也可以是服务器主动发起。只要一方没有数据发送给对端，那么就可以主动关闭连接，而不管你是客户端还是服务器。

正是因为有连接的建立和关闭过程，因此tcp引入了状态机的概念，当客户端或者服务器发送或者接收到不同的报文时，就进入不同的状态。

2 三次握手

2.1 三次握手的状态机

我们先看三次握手建立连接时，报文的交互和状态机的变化，如下图：

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2.2 python如何控制tcp三次握手

可以看到，对于客户端而言：

（1）当上层程序要通过tcp发送数据时，会调用一个方法【比如python的的socket.connect()】，通知tcp发送数据包【SYN】建立连接，并把状态机改为【SYN-SENT】状态；

（2）当客户端tcp收到服务端tcp的数据包【SYN/ACK】时，改变状态机到【ESTABLISHED】状态，表示从客户端到服务器的连接已经成功建立起来。

对于服务器而言：

（1）上层程序如果需要对外提供tcp服务时，会调用方法【比如python中的socket.bind((ip, port))】向tcp申请一个端口，ip是向操作系统申请，可以是一个网卡的ip，也可以是所有网卡的ip。申请成功后，继续调用方法【比如python中的socket.listen()】开始在tcp分配的端口上，监听客户端发来的连接建立请求，tcp会把状态机改为【Listen】状态；

（2）当服务器tcp收到客户端的数据包【SYN】后，就会切换状态机到【SYN-RCVD】状态，并立即回复【SYN/ACK】报文；

（3）当服务器tcp收到客户端的回复报文【ACK】后，改变状态机到【ESTABLISHED】状态，表示从服务器到客户端的连接已经成功建立起来。

2.3 三次握手时协商了哪些参数

如上图所示，为客户端【10.140.6.44】与服务器【10.74.97.122】三次握手的报文--【SYN】【SYN/ACK】【ACK】。三次握手除了建立双向的tcp连接以外，其实客户端和服务器还协商了各自支持的一些参数，参数的协商是通过【SYN】和【SYN/ACK】报文来完成的。

2.3.1 SYN报文中，【Flags】字段中的【SYN】标志位置为1，表示这是SYN报文。

在TCP固定头部里的【Window size value】，表示客户端通过此SYN报文告诉服务器，自己此刻接收窗口的大小。这是TCP的流控机制里面一个参数，后文会讲。另外TCP的【Options】字段出现了，一般都会携带【MSS】、【SACK】、【NOP】字段。

【MSS】：占4个字节，客户端用此字段告诉服务器，自己发送的TCP数据段的最大长度，以字节为单位；

【SACK】：占2个字节，客户端用此字段告诉服务器，自己支持SACK，即选择确认机制，后文会讲；

【NOP】：占1个字节，由于【Options】被定义为4字节的整数倍，因此如果出现非4字节的option时，用此option实现4字节对齐；

2.3.2 SYN/ACK报文中，它的【Flags】字段中的【SYN】和【ACK】标志位都被置为1，表示这是SYN/ACK报文。

在TCP固定头部里的【Window size value】，表示服务器通过此SYN/ACK报文告诉客户端，自己此刻接收窗口的大小，流控机制是双向的，任何一个TCP报文都会存在。

由于SYN报文出现了【Options】字段，因此SYN/ACK也会利用【Options】来与SYN协商参数，如果支持就回复自己对应字段的值，如果不支持此字段，就为空。

2.4 三次握手的python实现

我们可以通过python来调用tcp收发数据，即通过前文中的【socket.recv()】和【socket.sendall()】方法控制tcp收发数据。但是，这两个方法我们都没有提供目的ip和端口，数据往谁发送，又是从哪里接收数据？

其实这也说明了tcp的连接特性，我们在收发数据之前，是需要提前建立连接，在建立连接的过程中，我们会提供目的ip和端口。当然了，tcp是不会主动帮你应用程序建立连接的，需要你调用对应的方法，它才能帮你做事。

如下所示，为服务器向tcp申请端口，并监听连接的代码。

# !/usr/bin python3
import socket
import contextlib
import logging


@contextlib.contextmanager
def server_prepare_conn(ip, port, backlog=5):
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as tcp_sk:
        logging.debug("Try to apply for one port from os......")
        try:
            tcp_sk.bind((ip, port))
        except Exception:
            raise
        else:
            tcp_sk.listen(backlog)
            logging.debug("Succeeded to apply one port from os")

        try:
            yield tcp_sk
        except Exception:
            raise

如下所示，为客户端要求tcp建立连接的代码。

# !/usr/bin python3
import socket
import contextlib
import logging


@contextlib.contextmanager
def client_setup_conn(ip, port):
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as tcp_sk:
        logging.debug("Try to setup a connection......")
        try:
            tcp_sk.connect((ip, port))
        except Exception:
            raise
        else:
            logging.debug("Succeeded to setup a connection")

        try:
            yield tcp_sk
        except Exception:
            raise