Pokročílí 20: TCP protokol¶

V téme sieťovej komunikácie pokračujeme ďalším populárnym protokolom - TCP. Dnes si predstavíme jeho vlastnosti a ukážeme si základy práce s TCP v Pythone.

Transmission Control Protocol¶

TCP (Transmission Control Protocol) je populárny protokol na 4. vrstve OSI modelu (transportná vrstva).

Tento protokol je vo viacerých veciach iný ako UDP. Jedným z hlavných rozdielov je, že TCP je stream-oriented (nie message-oriented). Nepoužíva „správy“ (datagramy), ale súvislý prúd bajtov - stream.

Kľúčové vlastnosti TCP:

Spoľahlivosť - stratené segmenty sa automaticky znovu pošlú
Poradie - dáta prídu presne v tom poradí, v akom boli poslané
Obojsmerný stream - obe strany môžu posielať a prijímať súčasne

TCP je connection oriented, to znamená, že sender a receiver (vysielateľ a prijímateľ, client/server) musia najprv nadviazať spojenie a až potom si začnú posielať údaje.

Podobne ako pri UDP aj pre prácu s TCP v Pythone používame štandardný modul socket.

Nevýhody TCP oproti UDP:

vyššie oneskorenie a overhead
nevhodné pre realtime komunikáciu a online hry
vyššie nároky na server
nepodporuje broadcast/multicast
pomalší štart

Aj napriek týmto nevýhodam je však TCP veľmi používaný, a to hlavne vďaka jeho spoľahlivosti.

Fázy spojenia¶

TCP pracuje v troch fázach spojenia.

Nadviazanie spojenia - viackroková operácia za účelom nadviazania spojenia. V Pythone na to používame funkcie listen(), connect() a accept()
Prenos dát - obojsmerný prenos údajov. V Pythone používame sendall() a recv()
Ukončenie spojenia - riadené zatvorenie spojenia a uvoľnenie zdrojov. V Pythone používame shutdown() a close()

Dnes si bližšie vysvetlíme prvú fázu - nadviazanie spojenia

Nadviazanie spojenia¶

Pre nadviazanie spojenia je potrebné, aby jeden z účastníkov počúval (listen) na svojom porte a zachytil (accept) prichádzajúce žiadosti o spojenie. Tohto účastníka nazývame aj server. Druhý účastník - client - žiada server o nadviazanie spojenia (connect).

Mechanizmus nadviazania spojenia v TCP sa volá Three-way handshake

Obidve strany spojenia si potrebujú overiť, či ten druhý počúva a či je pripravený prijímať dáta. Taktiež si potrebujú dohodnúť niektoré parametre spojenia. Pri three-way handshake sa posielajú tri správy, tzv. TCP segmenty.

Klient pošle SYN segment
Server odpovie segmentom SYN+ACK
Klient nakoniec odošle ACK segment

Prvý SYN TCP segment (správa) od klienta otvára spojenie a žiada server o pripojenie. Server odpovie správou SYN+ACK. Tým sa klient dozvie, že server počúva a je pripravený vytvoriť spojenie. Server tým zároveň žiada klienta o finálne potvrdenie, že spojenie akceptuje. Klient teda nakoniec odpovie TCP segmentom ACK a spojenie je pripravené na prenos dát.

Vnútri úvodných SYN segmentov si jednotlivé strany taktiež vymenia rôzne nastavenia spojenia, aby spolu vedeli efektívne komunikovať.

Prenos údajov¶

Po nadviazaní spojenia si môžu klient a server medzi sebou začať posielať dáta. Na rozdiel od UDP si v TCP jednotlivé strany neposielajú správy, ale dáta sú posielané v súvislom toku, tzv. streame.

Bližšie o tom, ako TCP prenáša údaje, si povieme nabudúce, dnes si iba ukážeme, ako sa v Pythone dajú dáta dosielať a prijímať.

Začneme kódom pre klienta. Jeho úlohou je požiadať o spojenie, poslať a prijať dáta a na konci spojenie ukončiť.

import socket

# Pre TCP použijeme typ socket.SOCK_STREAM
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM);

# 1. Nadviazanie spojenia - CONNECT (THREE-WAY HANDSHAKE)
sock.connect(('127.0.0.1', 65432))

# 2. Pošleme správu serveru
message = "Ahoj server! Toto je test spojenia."
data = message.encode('utf-8')
sock.sendall(data)

# 3. Prijmeme odpoveď
response = sock.recv(1024)
if response:
    message = response.decode('utf-8')
    print(f"Odpoveď od servera: {message}")

# 4. Shutdown - oznámime serveru, že už nebudeme posielať
sock.shutdown(socket.SHUT_WR)

# 5. Ešte raz recv() - počkáme, kým server všetko spracuje
final_data = sock.recv(1024)
if final_data:
    message = final_data.decode('utf-8')
    print(f"Zostávajúca odpoveď: {message}")

# 6. Zatvorenie spojenia
sock.close()

Server to má trošku zložitejšie. Server musí počúvať na porte a vytvoriť samostatné vlákno pre každé nové spojenie. Na server sa totižto zvykne pripojiť viacero klientov súčasne. V tomto príklade však budeme čakať iba na prvého klienta, prijmeme od neho správu a pošleme mu ju naspať. Potom program ukončíme.

import socket

HOST = '127.0.0.1'  # localhost (pre testovanie)
PORT = 65432  # ľubovoľný port > 1024

# Pre TCP použijeme typ socket.SOCK_STREAM
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 1. Viažeme socket na IP + port
sock.bind((HOST, PORT))

# 2. Začneme počúvať (5 je max počet klientov čakajúcich na pripojenie)
sock.listen(5)

# 3. Prijatie spojenia (THREE WAY HANDSHAKE)
conn, addr = sock.accept()

# Teraz máme aktívne TCP spojenie (conn)
# Môžeme posielať a prijímať dáta...

# 4. Server čaká na správu od klienta
data = conn.recv(1024)
if data:
    message = data.decode('utf-8')
    print(f"Prijaté od klienta: {message}")
    # 5. Poslanie správy naspať klientovi
    conn.sendall(data)

# 6. Zatvorenie serveru
conn.close()
sock.close()

Úlohy¶

Úloha 20.1: TCP klient a server

Vyskúšajte lokálne spustiť príklady z tohto cvičenia

Úloha 20.2: Interaktívny klient

Upravte klienta tak, aby načítaval správy z klávesnice a posielal ich serveru. Zároveň v samostanom vlákne prijímajte odpovede zo servera a vypisujte ich do konzoly.

Ošetrite, aby sa program dal korektne ukončiť klávesou CTRL-C

Úloha 20.3: Lepší server

Upravte server tak, aby v nekonečnej slučke prijímal nové spojenia a obsluhoval ich na samostatných vláknach.

V rámci jedného obsluhovania klienta server nech prijíma správy a preposiela ich naspať klientovi.

Využite settimeout pri sockete aj pri connection tak, aby sa dal server vypnúť klávesou CTRL-C

Zhrnutie cvičenia¶

Poznámky do zošita

V zošite je potrebné mať napísané aspoň tieto poznámky:

TCP - protokol na 4. vrstve OSI

Stream-oriented, používa súvislý prúd bajtov - stream.
Connection oriented - client a server musia najprv nadviazať spojenie
Používame štandardný Python modul socket

Vlastnosti TCP
- Spoľahlivosť - stratené segmenty sa automaticky znovu pošlú
- Poradie - dáta prídu presne v tom poradí, v akom boli poslané
- Obojsmerný stream - obe strany môžu posielať a prijímať súčasne

Nevýhody TCP oproti UDP
- vyššie oneskorenie a overhead
- nevhodné pre realtime komunikáciu a online hry
- vyššie nároky na server, pomalší štart
- nepodporuje broadcast/multicast

Fázy spojenia
1. Nadviazanie spojenia - používame funkcie listen(), connect() a accept()
2. Prenos dát - používame sendall() a recv()
3. Ukončenie spojenia - používame shutdown() a close()

Nadviazanie spojenia

Server počúva (listen) na svojom porte a zachytí (accept) žiadosti o spojenie. 
Client žiada server o nadviazanie spojenia (connect).
Mechanizmus nadviazania spojenia sa volá Three-way handshake

Three-way handshake:
1. Klient pošle SYN segment
2. Server odpovie segmentom SYN+ACK
3. Klient nakoniec odošle ACK segment

SYN segmenty obsahujú aj rôzne nastavenia spojenia

Skúšanie a kontrola vedomostí

Okruhy otázok na test:

Čo je TCP, jeho vlastnosti
Výhody a nevýhody TCP
3 fázy spojenia
Nadviazanie spojenia, three way handshake
Kód v Pythone na nadviazanie spojenia a posielanie/prijímanie