TCP网络协议栈和Posix网络部分API总结

Posix网络部分API综述

• 客户端：socket、bind（可以不绑定）、connect、send、recv、close
• 服务端：socket、bind、listen、accept、recv、send、recv、close
• 所有的语言进行网络通信，只要是基于linux底层都会去调用这道api。

TCP协议栈通信过程

TCP三次握手和四次挥手（看下图）

• 参数解释：
  • seq：TCP头里的sequence，代表发送的TCP包的序列号。
  • ack：TCP头里的acknum，代表对上次接收到的TCP包的应答，通常是上次接收包的seq号+1。
  • SYN和ACK代表标志位。
  • syn和ack主要是实现了三个目的：
    1. 防止数据丢失，当我们发送出去的syn很久没有得到ack应答时，就会进行重传等操作。
    2. 防止数据重复，可能对方因为某些原因对一个请求发了很多次应答，可以依据这两个参数去防止数据重复接收。
    3. 防止数据乱序，这个很好理解就是根据seq和ack确保数据接收正确，因为网络包在网络上的传输速率不同，可能先发的包后面到。
  • 另外三次握手建立连接时，双方的第一个seq值是随机的。

三次握手

1. 首先由通信双方的某一方（后面就用client了，其实server和client都是可以的）发起连接请求，即发送一个带SYN标志位的TCP数据包给server端。
2. server端收到数据包后，除了SYN位以外，还会增加一个ACK确认位，然后发送给clinet端。
3. client端收到数据包后，给server端回复一个带ACK确认位的数据包给服务端，到此，通信双方就算建立连接了。

常见问题？

为什么是三次握手而不是两次？

- 因为TCP连接是安全可靠的，三次握手的话会保证双方都能接受到对方的数据，第一次服务端收到客户端消息后可以确定客户端发送数据没问题，然后第二次服务端发送给客户端消息，客户端可以确定服务端的收发都没有问题，但是服务端不知道客户端接收是否成功，所以，客户端还需要发一个数据包告诉服务端，它的接收也没有问题，因此，这里是三次连接而不是两次。

三次握手和哪些函数有关？

• 首先肯定是connect函数，调用后会发生第一次握手。
• listen函数调用后TCP协议栈会去监听client请求，收到第一次握手后会向对方发送数据包，这是第二次握手，此时这个连接就被放入半连接队列里了。
• 至于第三次握手是TCP协议栈完成的（其实第二次也是），收到第三次握手的数据包后，会从半连接队列里校验，校验成功后将其从半连接队列里mv到全连接队列。

TCP的生命周期是从什么时候开始的？

• 从connect调用后就开始了。

四次挥手

1. 第一次挥手，是主动断开连接的一方，发送带有FIN和ACK标志位的TCP包。
2. 第二次是被动断开连接一方在收到数据包后，立马回应一个ACK标志位的TCP包，告诉对方我收到了对方的包，但是数据还没有处理完成,还有些工作要处理。
3. 第三次依然是被动断开连接一方在数据处理完成之后，会给对方发送FIN和ACK标志位的TCP包，告诉对方我数据处理完了，你可以关闭连接了。
4. 第四次挥手，是主动断开方发送ACK标志位的TCP包，然后被动断开方就关闭连接了。

通信状态转换图

• 建立连接：
  • 服务端：
    1. 初始状态为closed状态，调用listen函数后进入LISTEN状态。
    2. 收到SYN标志位的TCP包，并向对方发送SYN和ACK标志位的TCP包后，变为SYN_RCVD状态。
    3. 收到对方带ACK标志位的包后变为ESTABLISTED状态，至此连接建立。（这里不是accept去完成三次握手的，三次握手由TCP协议栈完成，accept只是堵塞获取客户端信息的）。
  • 客户端：
    1. 初始状态为closed状态，调用connect函数，发送SYN标志位的TCP包后进入SYN_SENT状态。
    2. 由TCP协议栈完成后续的握手环节，当connect函数成功返回后，直接进入ESTABLISTED状态。
• 断开连接：断开连接一般情况下可以是任意一方发起，这里以客户端主动断开为例
  • 服务端：
    1. 当客户端主动断开连接后，服务端收到FIN位的TCP包，此时服务端的协议栈会立刻发送给对方一个ACK确认位，此时服务端酒进入了CLOSED_WAIT状态。
    2. 此时recv函数会继续去处理数据，当读到数据长度为0，并且数据全部处理完后，服务端主动调用close函数关闭通信fd，这时服务端会给客户端发送FIN标志位的TCP包，然后服务端进入LAST_ACK状态。
    3. 当服务端收到客户端的ACK标志位的包后，服务端由LAST_ACK转变为CLOSED状态。
  • 客户端：
    1. 客户端主动调用closed函数关闭fd，那么TCP协议栈会给服务端发送一个带SYN标志位的TCP包，此后客户端进入FIN_WAIT1状态。
    2. 当收到服务端带ACK标志位的TCP包后，由FIN_WAIT1转变为FIN_WAIT2状态。
    3. 当收到服务端带FIN标志位的TCP包，并向服务端发送ACK标志位的TCP包后就进入了TIME_WAIT状态，该状态会持续2MSL，（MSL为网络包在网络中的最大存活时间。），当2MSL到达后，转换为CLOSED状态。
• 注意：
  • TCP的状态转换是由TCP协议栈管理的，不是由代码管理。

由于数据包传输速率不同，client先收到了FIN，后收到ack，状态是如何转换的？

• 就是上图的由FIN_WAIT1状态直接到了CLOSING状态，然后等收到了ack后再转换为TIME_WAIT。

核心步骤

建立连接

socket函数

• socket函数做了两件事情：
  1. 分配一个fd用来监听连接，这里是采用bit_map的算法分配fd，当对应fd位为0时就可以分配。
  2. 创建一个TCP控制块TCB。

bind函数

• 其实bind函数就做了一个操作，将ip和port设置到TCP控制块里的src ip和port。

listen函数

• listen函数就像一个开关，如果不调用listen函数的话，是没有办法进行三次握手的。
• listen函数也做了两个事情：
  1. 将tcb里的status设置为LISTEN状态。
  2. 为tcb分配分配一个全连接队列和半连接队列。（全连接队列指的是已经完成三次握手的，半连接队列指还没有完成三次握手的）

listen函数的backlog参数的作用

• 起初主要是为了防止syn（第一次握手）泄洪，但是现在一般有堡垒机和防火墙，这个参数不常用了。
• listen函数的backlog参数从70年代发展到现在大概有三个版本：
  1. 指的是半连接队列的长度。
  2. 半连接+全连接队列的长度。
  3. 全连接队列的长度。（如今的版本）

accept函数

• accept函数做了两件事情：
  1. 为该连接分配一个fd
  2. 将fd绑定到从全连接队列取出来的连接tcb上，这个用于通信的tcb是个五元组（src ip和port，dst ip和port，传输协议）和读写缓冲区。
• 注意：若listen的sockfd被设置为ET模式，那么需要循环调用accept去获取fd。

connect函数

• 向对方发送带SYN标志的数据包，请求连接。

数据传输

recv函数和send函数

• 这两个函数是将数据从TCP缓冲区读到用户buffer里以及将用户数据写到TCP缓冲区里，而不是直接端到端的同步通信，这里是异步的，数据什么时候从缓冲区发出去，怎么发和send没有关系。

断开连接

close函数

• close函数通信双方都可以调用，也做了两个事情：
  1. 关闭fd。
  2. 告诉TCP协议栈，向对方发送一个带FIN标志位的数据包。
• server调用recv返回值为0的时候，就意味着收到了对方的FIN数据包，且TCP协议栈自动向对方发送ACK确认。（第一次挥手）此时server也可以调用close函数去关闭fd，然后server会向对方也发送带FIN的数据包。

问题思考

双方如果同时调用close函数会发生什么？

• 首先双方都向对方发送FIN数据包，然后双方收到后，都向对方发送ACK确认，然后双方又向对方发送FIN，最后双方都收到了对方的ack，此时双方都产生了time_wait状态。（服务器一般情况下不要去调用close函数，减少time_wait状态出现）

同理双方同时调用了connect函数呢？（P2P模式会出现）