Python C/S 网络编程（三）之 TCP 实现远程骰宝游戏

传输控制协议（TCP/IP）是互联网的重要组成部分。

互联网由一整套的协议组成，TCP只是其中的一层。

最底层的以太网协议（Ethernet）规定了电子信号如何组成数据包（packet），解决了子网内部的点对点通信。但是，以太网协议不能解决多个局域网如何互通，这由 IP 协议解决。
IP 协议定义了一套自己的地址规则，称为 IP 地址。它实现了路由功能，允许某个局域网的 A 主机，向另一个局域网的 B 主机发送消息。

IP 协议只是一个地址协议，并不保证数据包的完整。如果路由器丢包（比如缓存满了，新进来的数据包就会丢失），就需要发现丢了哪一个包，以及如何重新发送这个包。这就要依靠 TCP 协议。
简单说，TCP 协议的作用是，保证数据通信的完整性和可靠性，防止丢包。传输文档和文件的协议几乎都是使用TCP的。包括通过浏览器浏览网页、文件传输以及用与电子邮件传输的所有主要机制。

一、TCP工作原理

我们都知道UDP是不可靠的协议，所以UDP传输可能会出现诸如丢包、冗余、乱序等错误；而TCP传输，数据包就被隐藏在协议层之下了。应用程序只需要向目标机器发送流数据，TCP会将丢失的信息重传，保证信息能够成功到达目的机器。

TCP传输基本原理：

每个TCP数据包都有一个序列号，接收方通过该序列号将响应数据包正确排序。也可以通过该序列号发现传输序列中丢失的数据包，并请求重传。
TCP并不使用顺序的整数（1，2，3…）作为数据包的序列号，而是通过一个计数器来记录发送的字节数。例如，如果一个包含1024字节的数据包的序列号为7200，那么下一个数据包的序列号就是8224。
在一个优秀的TCP实现中，初始序列号是随机选择的。
TCP并不通过锁步的方式进行通信。相反，TCP无须等待响应就能一口气发送多个数据包。我们把在某一时刻发送方希望同时传输的数据量成为TCP窗口大小。
接收方的TCP实现可以通过控制发送方的窗口大小来减缓或暂停，叫做流量控制。
最后，若TCP认为数据包被丢弃了，他会假定网络正在变得拥挤，然后减少每秒发送的数据量。
注意一点：TCP四次挥手?其实也可以只发三次：FIN、FIN-ACK、ACK，这样会比较快速，四次就是每个方向上都发一对FIN、ACK。

二、TCP套接字

和UDP一样，TCP也使用端口号来区分同一IP地址上运行的不同应用程序。

上一节有说道，UDP其实也是可以调用connect()函数的，但是和TCP还是有些区别：

TCP中调用connect会引起三次握手，client与server建立连结。
UDP中调用connect内核仅仅在OS内部把对端ip&port记录下来。
UDP中可以多次调用 connect，TCP只能调用一次 connect。
TCP的connect调用是有可能失败的。远程主机可能不作出应答，也可能拒绝连接，协议错误…原因就是TCP刘涉及两台主机间持续连接的建立。另一方的主机需要处于正在监听的状态，并做好接收连接请求的准备。
TCP的S(服务器)端不进行connect()调用，而是接收C端connect()调用的初始SYN数据包。且在Python中S端在接受连接请求的同时还新建了一个套接字。

TCP接口实际上包含了两种套接字类型：“被动”监听套接字和主动“连接”套接字。

（1）被动套接字（监听套接字）：服务器通过该套接字来接受连接请求，但不能用于发送或接收任何数据，也不表示任何实际的网络会话。而是由服务器指示被动套接字通知OS首先使用哪个特定的TCP端口号来接受连接请求。

由IP地址和正在监听的端口号唯一标识，因此任何其他程序都不能再使用相同的IP地址和端口。

（2）主动套接字（连接套接字）：将一个特定的IP地址和端口号和某个与其进行远程会话的主机绑定，只用于与该特定主机进行通信，可以通过该套接字发送或接收数据。

唯一标识主动套接字的是一个四元组：
(local_ip, local_port, remote_ip, remote_port)
且多个主动套接字可以共享一个本地套接字名（IP&port）。

三、一个简单的C/S程序

#!/usr/bin/env python3
# Foundations of Python Network Programming, Third Edition
# https://github.com/brandon-rhodes/fopnp/blob/m/py3/chapter03/tcp_sixteen.py
# Simple TCP client and server that send and receive 16 octetsimport argparse, socket#保证一个循环内接收定长数据
def recvall(sock, length):data = b''while len(data) < length:more = sock.recv(length - len(data))if not more:raise EOFError('was expecting %d bytes but only received'' %d bytes before the socket closed'% (length, len(data)))data += morereturn datadef server(interface, port):sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)       #创建套接字sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)     #设置套接字选项sock.bind((interface, port))          #绑定本地接口sock.listen(1)             #监听print('Listening at', sock.getsockname())while True:print('Waiting to accept a new connection')sc, sockname = sock.accept()            #接受一个客户端的连接请求并返回一个新的套接字print('We have accepted a connection from', sockname)        #所连接的套接字名print('  Socket name:', sc.getsockname())        #自己的套接字名print('  Socket peer:', sc.getpeername())        #所连接的套接字名message = recvall(sc, 16)         #接收16字节的数据print('  Incoming sixteen-octet message:', repr(message))       #将消息转为字符串sc.sendall(b'Farewell, client')          #发送客户端sc.close()                 #关闭套接字print('  Reply sent, socket closed')def client(host, port):sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)       #创建套接字sock.connect((host, port))               #请求连接print('Client has been assigned socket name', sock.getsockname())sock.sendall(b'Hi there, server')reply = recvall(sock, 16)print('The server said', repr(reply))sock.close()if __name__ == '__main__':choices = {'client': client, 'server': server}parser = argparse.ArgumentParser(description='Send and receive over TCP')parser.add_argument('role', choices=choices, help='which role to play')parser.add_argument('host', help='interface the server listens at;'' host the client sends to')parser.add_argument('-p', metavar='PORT', type=int, default=1060,help='TCP port (default 1060)')args = parser.parse_args()function = choices[args.role]function(args.host, args.p)

关于argparse库的用法见：
https://blog.csdn.net/weixin_41206209/article/details/84643746

运行结果：
S:

C：

四、理性分析时间

sock.bind((interface, port)) 决定了远程主机是否能尝试连接服务器，以及服务器是否不接受外部连接而只与本机上的其他运行程序通信。
命令行里host如果填空的话，表示可以通过机器的任意IP地址接受连接请求。
客户端程序：首先创建了一个套接字——然后以想要通信的服务器地址作为参数运行connect()——接着就能随意的发送或接收数据了。
UDP发送和接收都是一整个数据报，而TCP会在传输过程中把数据流分为多个大小不同的数据包，然后在接收端将这些数据包逐步重组。
为什么尽量使用sendall()，少用send()呢？
进行TCP send()时，因为TCP是基于流的协议，所以数据传输和接收取决于套接字缓冲区的空余，会出现被阻塞、部分发送等的情况。而sendall()不仅运行快且在所有数据发送完之前不会竞争资源。
但是没有recvall()，所以recv()要在循环中调用。
套接字操作：
（1）S端通过运行bind()来声明一个特定的端口，该端口可以只用于某一特定IP接口，也可以用于所有借口。注意：此时还没决定该程序会被作为S端还是C端。
（2）下一个调用是listen()。程序通过该调用表明，它希望套接字进行监听，此时才真正决定了程序要作为S。
（3）该套接字现在只能通过它的accept()方法来接受连接请求。（accept()方法唯一目的就是用于支持TCP套接字的监听功能。）每次调用accept()方法都会等待一个新的C连接S，然后返回一个新的套接字。
（4）一旦C和S完成了所有需要的通信，他们就会调用close()方法关闭套接字，通知OS将输出缓冲区中剩余的数据传输完成，然后使用FIN数据包的关闭流程来结束TCP会话进程。

五、地址被占用

为什么要在绑定地址前设置套接字选项呢？

 sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)     #设置套接字选项

有时候关闭S端后再重启时会发现报错：OSError：[Errno 98] Address already in use

因为在TCP关闭套接字后，OS的网络栈一般不会立即关闭而经历TIME_WAIT的过程

六、死锁

如果通信双方都写数据，套接字缓冲区被越来越多的数据填满，而这些数据从未被读取，就容易造成死锁。最终在某个方向上再也无法通过send()发送数据，就可能会永远等待缓冲区清空，从而导致阻塞。

避免死锁的两种方式：
1、客户端和服务器可以通过套接字选项将阻塞关闭。

2、程序可以使用某种技术同时处理来自多个输入的数据。可以采用多个进程或线程来处理。

七、已关闭连接，半开连接

半关：套接字方法shutdown()可以用来为套接字生成一个方向上的文件结束符，同时保持另一方向的连接处于打开状态。

八、像使用文件一样使用TCP流

如果想要把一个套接字传递给一个支持读取和写入普通文件对象的Python模块：可以使用makefile()方法，该方法返回一个Python对象。

九、实战——远程骰宝小游戏设计

1.简要说下题目：

交互式游戏设计(RemoteBet) （基于TCP）：
通过在远端主机上搭建一个远程骰宝服务器，其它主机可以通过客户端程序
RemoteBet与远程的骰宝服务器联系，进行交互式游戏设计。

2.程序设计思路：

tcp远程骰宝游戏，即客户端与服务器端通信，由服务器端上的骰子筛出点数再传递给客户端。
首先，要完成基本的基于TCP的C/S通信模型。服务器端写一个筛骰子的函数，当客户端连接上时，记录其端口信息。每个循环筛四个筛子，因为TCP是基于流的传输协议，可以将筛好的点数统一放在一个对象中传输给客户端。客户端在接收时控制每次取数的窗口大小即可。
其次，客户端接收到服务器端发来的点数后，通过在字典中查找对应的符号输出来实现筛子的图样，再分别编写表示结果和金库的函数即可。

3.源码：

from socket import *
import random,sysHOST = '127.0.0.1'
ADDR = ('127.0.0.1',8880)
tcpSer = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)        #创建套接字：tcp是基于流的传输协议tcpSer.bind(ADDR)       #绑定地址（端口号）
tcpSer.listen(1000)    #设置监听（最大连接数）while True:print('RemoteBet {}'.format(HOST))#等待客户端的连接#accept()函数会返回一个元组#元素1为客户端的socket对象，元素2为客户端的地址(ip地址，端口号)cli, add = tcpSer.accept()print('{} 加入了游戏'.format(add))        #记录玩家信息while True:def roll_dice():                  #筛骰子函数n = random.randint(1,6)return str(n)for m in range(1,5):              #循环筛4次m = roll_dice()cli.send(m.encode('utf-8'))      #每次筛好都发送到tcp传输队列中print(m)data = cli.recv(1024).decode('utf-8')    #接受客户数据并解码if not data or data == 'exit':sys.exit()print('玩家{}说：'.format(add)+data)        #玩家结果cli.close()
tcpSer.close()                 #关闭套接字

from socket import *
import sysHOST = '127.0.0.1'
PORT = 8880
ADDR = (HOST,PORT)
coin = 1
gold = 100 * coin
silver = 10 * coin
money = 100cliSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
cliSocket.connect(ADDR)                   #建立连接print('-------------------------------------------')
print('欢迎来到风月赌场,规则如下：')
rules = """ya tc <数量> <coin|silver|gold> 押头彩(两数顺序及点数均正确)       一赔三十五ya dc <数量> <coin|silver|gold> 押大彩(两数点数正确)               一赔十七ya kp <数量> <coin|silver|gold> 押空盘(两数不同且均为偶数)         一赔五ya qx <数量> <coin|silver|gold> 押七星(两数之和为七)               一赔五ya dd <数量> <coin|silver|gold> 押单对(两数均为奇数)               一赔三ya sx <数量> <coin|silver|gold> 押散星(两数之和为三、五、九、十一)   一赔二"""
print(rules)#骰子图样字典
dict1 = {'1':'''              ┌───┐│   ││ ● ││   │└───┘''','2':'''┌───┐│ ● ││   ││ ● │└───┘''','3':'''┌───┐│ ● ││   ││● ●│└───┘''','4':'''┌───┐│● ●││   ││● ●│└───┘''','5':'''┌───┐│● ●││ ● ││● ●│└───┘''','6':'''┌───┐│● ●││● ●││● ●│└───┘'''}
dict2 = {'1':'一','2':'二','3':'三','4':'四','5':'五','6':'六'}       #骰子点数字典
dict3 = {'tc':'头彩','dc':'','kp':'空盘','qx':'七星','dd':'单对','sx':'散星'}    #结果字典def oe(s):            #判断奇偶if (s%2) == 0:return 0else:return 1def results():             #该局结果global n1,n2,n3,n4,yan1 = int(n1)n2 = int(n2)n3 = int(n3)n4 = int(n4)if (n1==n3) and (n2==n4):return 'tc'elif ((n1==n3)and(n2==n4))or((n1==n4)and(n2==n3)):return 'dc'elif (n3!=n4) and (oe(n3)==0) and (oe(n4)==0):return 'kp'elif ((n3+n4)==7):return 'qx'elif (oe(n3)==1) and (oe(n4)==1):return 'dd'elif ((n3+n4)==3)or((n3+n4)==5)or((n3+n4)==9)or((n3+n4)==11):return 'sx'else:return '没有该种点型！'sys.exit()def winorlose():           #金库状况global moneyif ya['ctype'] == 'gold':ym = int(ya['number']) * 100elif ya['ctype'] == 'silver':ym =int(ya['number'])  * 10elif ya['ctype'] == 'coin':ym = int(ya['number'])else:print('error')sys.exit()if ya['wtype'] == results():print('恭喜你，你赢了')if ya['wtype'] == 'tc':money += ym * 35elif ya['wtype'] == 'dc':money += ym * 17elif ya['wtype'] == 'kp':money += ym * 5elif ya['wtype'] == 'qx':money += ym * 5elif ya['wtype'] == 'dd':money += ym * 3elif ya['wtype'] == 'sx':money += ym * 2else:print('你输了呢！')if ya['wtype'] == 'tc':money -= ym * 35elif ya['wtype'] == 'dc':money -= ym * 17elif ya['wtype'] == 'kp':money -= ym * 5elif ya['wtype'] == 'qx':money -= ym * 5elif ya['wtype'] == 'dd':money -= ym * 3elif ya['wtype'] == 'sx':money -= ym * 2print('目前金库 : {} coin'.format(money))#循环是为了保证能持续进行通话
while True:print("""庄家唱道：新开盘！预叫头彩！庄家将两枚玉骰往银盘中一撒。""")global n1,n2,n3,n4,yan1 = (cliSocket.recv(1).decode('utf-8'))        # 1字节接受服务器端发来的点数n2 = (cliSocket.recv(1).decode('utf-8'))print(dict1[n1],dict1[n2])         #输出预叫头彩print('庄家唱道：头彩骰号是 {}、{}'.format(dict2[n1],dict2[n2]))ya0 = input('输入你押的值  (ya <玩法> <数量> <coin|silver|gold>) ：')if ya0 == 'exit':          #退出cliSocket.send(ya0.encode('utf-8'))sys.exit()else:                               #将玩家输入的信息切割为字典形式存放ya2 = ya0.split(' ')ya1 = ['ya','wtype','number','ctype']ya = dict(zip(ya1,ya2))cliSocket.send(ya0.encode('utf-8'))           #将玩家下的赌注发送给服务器端print("""庄家将两枚玉骰扔进两个金盅，一手持一盅摇将起来。庄家将左手的金盅倒扣在银盘上，玉骰滚了出来。""")n3 = (cliSocket.recv(1).decode('utf-8'))print(dict1[n3])print("""庄家将右手的金盅倒扣在银盘上，玉骰滚了出来。""")n4 = (cliSocket.recv(1).decode('utf-8'))print(dict1[n4])print('庄家叫道：{}、{}'.format(dict2[n3],dict2[n4]))print('.......{}'.format(dict3[results()]))           #结果winorlose()                                          #金库情况cliSocket.send(str(results()).encode('utf-8'))       #以字节流的形式发送数据，需编码
cliSocket.close()        #关闭客户端

4.测试结果：

S：

5.错误环节：

当然我又遇到了很多问题…

对于字典掌握不熟，后来查了知道对于玩家输入的信息：ya tc 10 gold可以先用split()分成列表，在创建一个关于“key”的列表：ya1 = [‘ya’, ‘wtype’, ‘number’, ‘ctype’] ，两个列表用zip缝上就变成了一个字典: {‘ya’: ‘ya’, ‘wtype’: ‘tc’, ‘number’: ‘10’, ‘ctype’: ‘gold’}

关于金币的换算：

一开始是这样写的

发现不管输入什么金币，还是按照coin 的币种来算：

后面终于发现错：赢或者输时，不应该是用金库来倍加倍减，而应该用玩家押的币种来算，再存入金库：

当然这个小程序很简陋，可以加入try,exception这些异常处理，可以做成类（看起来更好），我赶着交作业写的比较随意（就是懒…）。