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tcp连接+套接字编程

tcp头部

tcp端口号

TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接:
(源IP,源端口号)+ (目地IP,目的端口号)
所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储,而IP地址由上一层IP协议负责传递
源端口号和目地端口各占16位两个字节,也就是端口的范围是2^16=65535
另外1024以下是系统保留的端口,从1024-65535是用户使用的端口范围

tcp序号和确认号

32位序号 seq:Sequence number 缩写seq ,TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号,通过这个来确认发送的数据有序,比如现在序列号为1000,发送了1000,下一个序列号就是2000。

32位确认号 ack:Acknowledge number 缩写ack,TCP对上一次seq序号做出的确认号,用来响应TCP报文段,给收到的TCP报文段的序号seq加1,即表示期待下一次发送的序号

tcp标志位

每个TCP段都有一个目的,这是借助于TCP标志位选项来确定的,允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用,以便段被另一端正确处理。
用的最广泛的标志是 SYNACK 和 FIN,用于建立连接,确认成功的段传输,最后终止连接。

  1. SYN:简写为S,同步标志位,用于建立会话连接,同步序列号;
  2. ACK: 简写为.,确认标志位,对已接收的数据包进行确认,1表示确认号有效,0表示报文中不包含确认信息;
  3. FIN: 简写为F,完成标志位,表示我已经没有数据要发送了,即将关闭连接;
  4. PSH:简写为P,推送标志位,表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用,而不在缓冲区排队;
  5. RST:简写为R,重置标志位,用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包;
  6. URG:简写为U,紧急标志位,表示数据包的紧急指针域有效,用来保证连接不被阻断,并督促中间设备尽快处理;

tcp的三次握手

第一次握手
客户端将TCP报文标志位SYN置为1,随机产生一个序号值seq=x,将该数据包发送给服务器端,发送完毕后,客户端进入SYN_SENT状态,等待服务器端确认。

第二次握手
服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接,服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1,ack=x+1,随机产生一个序号值seq=y,并将该数据包发送给客户端以确认连接请求,服务器端进入SYN_RCVD状态。

第三次握手
客户端收到确认后,检查ack是否为x+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=y+1,并将该数据包发送给服务器端,服务器端检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

为什么连接的建立需要三次握手?

假设client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。

假设采用的是“两次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。

tcp的四次挥手

第一次挥手: Client端发起挥手请求,向Server端发送标志位是FIN报文段,设置序列号seq,此时,Client端进入FIN_WAIT_1状态,这表示Client端没有数据要发送给Server端了。

第二次分手:Server端收到了Client端发送的FIN报文段,向Client端返回一个标志位是ACK的报文段,ack设为seq加1,Client端进入FIN_WAIT_2状态,Server端告诉Client端,我确认并同意你的关闭请求。

第三次分手: Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段,请求关闭连接,同时Client端进入LAST_ACK状态。

第四次分手 : Client端收到Server端发送的FIN报文段,向Server端发送标志位是ACK的报文段,然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后,就关闭连接。此时,Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,Client端也可以关闭连接了。

为什么连接的关闭需要四次挥手?

由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议,TCP是全双工模式。这就意味着,关闭连接时,当Client端发出FIN报文段时,只是表示Client端告诉Server端数据已经发送完毕了。当Server端收到FIN报文并返回ACK报文段,表示它已经知道Client端没有数据发送了,但是Server端还是可以发送数据到Client端的,所以Server很可能并不会立即关闭SOCKET,直到Server端把数据也发送完毕。当Server端也发送了FIN报文段时,这个时候就表示Server端也没有数据要发送了,就会告诉Client端,我也没有数据要发送了,之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

为什么要等待2MSL?

第一点:保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
由于IP协议的不可靠性或其它网络原因,导致了Server端没有收到Client端的ACK报文,发生超时。那么Server重发FIN,如果此时Client端的连接关闭了,则重发的FIN就找不到对应的连接,导致连接错乱。

第二点:保证这次连接的重复数据段从网络中消失
如果Client端发送最后的ACK后直接进入CLOSED状态,然后又再向Server端发起一个新连接,这时如果新老连接的端口号如果相同。

那么就可能出现问题:如果老连接某些数据滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接后到达Client端,由于新老连接的端口号和IP都一样,TCP协议就认为延迟数据是属于新连接的,新连接就会接收到脏数据,这样就会导致数据包混乱。

接口认识

创建套接字(客户端&服务器)

 创建套接字首先得选择使用什么协议簇得套接字,比如使用ipv4协议(AF_INET)还是使用ipv6协议(AF_INET6)。其次选择该套接字的类型,是使用面向字节流(SOCK_STREAM)还是面向数据报(SOCK_DGRAM)的套接字。第三个参数一般是置为0的

该结果的返回值:成功return一个新的socket的文件描述符(fd),失败则返回-1。

绑定套接字(服务器)

绑定套接字需要选择绑定哪一个套接字(未建立连接),其次选择该套接字使用什么地址簇,绑定哪个端口,绑定哪个ip。第三个参数是第二个结构参数的大小。 

关于第二个参数,这里有必要说明一下。各种网络协议的地址格式并不相同。IPv4地址用sockaddr_in结构体表示。大多时候,我们也是基于ipv4编程。下边是关于sockaddr_in结构体的介绍。

地址簇的选择一般是选择AF_INET,即ipv4。

端口号的绑定,还需要介绍一下,这里我们的端口号是基于主机序列的,而我们需要将主机序列的端口号转换为网络序列进行绑定。需要使用htons()函数。htons()作用是将端口号由主机字节序转换为网络字节序的整数值,(host to net)

htonl()作用和htons()一样,不过它针对的是32位的(long),而htons()针对的是16位的(short)。

与htonl()和htons()作用相反的两个函数是:ntohl()和ntohs()。

ip地址的绑定,这里还有一个in_addr的结构体。

我们传过去的ip地址一般都是点分十进制的,是便于我们识别的一种形式,需要将其转换成网络序列。inet_addr()作用是将一个IP字符串转化为一个网络字节序的整数值。一般需要转换成为网络序列的是客户端。作为服务端,需要接受所有发向该主机的该端口的数据。(一台主机可能配置多个ip)。因此:INADDR_ANY的宏值绑定在ip地址上就能解决这种问题。

监听套接字(服务器)

 listen的第二个参数是监听队列大小。

Linux内核协议栈为一个tcp连接管理使用两个队列:

1. 半链接队列(用来保存处于SYN_SENT和SYN_RECV状态的请求)

2. 全连接队列(accpetd队列)(用来保存处于established状态,但是应用层没有调用accept取走的请求

而全连接队列的长度会受到 listen 第二个参数的影响。

接收套接字(服务器)

首先选择从哪个欢迎套接字接收新的套接字,其次该套接字使用什么类型的网络协议结构, 第三个参数是第二个结构体的大小(注意其类型)。

连接套接字(客户端)

首先选择连接该套接字的fd,其次选择该套接字使用什么格式的网络地址簇,端口是什么。第三个参数是第二个参数结构体的大小。 

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