[网络协议]Socket网络编程与TCP

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TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。
客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接，保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。

TCP数据包结构

1. 序号：Seq（Sequence Number），序号Seq占4个字节，用来表示数据包的序号。
2. 确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占4个字节，向对方表示表示确认收到，Ack = Seq + 1。
3. 标志位：每个标志位占用1Bit(1字节=8bit)，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
   • URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
   • ACK：确认序号有效。（Acknowledge）
   • PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。(PUSH)
   • RST：重置连接。(Restar)
   • SYN：建立一个新连接。(Synchronous 同步的)
   • FIN：断开一个连接。（Finish 完成）

TCP三次握手建立连接

使用 connect() 建立连接时，客户端和服务器端会相互发送合计三个数据包
通俗理解：

[Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我这里有数据要传送给你，建立连接吧。”
[Shake 2] 套接字B：“好的，我这边已准备就绪。”
[Shake 3] 套接字A：“我已确定，请求正式建立。”

简化理解三个数据包：

→ 建立同步 --SYN
←收到指示（与下面过程合并）–ACK
←建立同步（与上面过程合并）–SYN
→收到，确定建立连接 --ACK

总结:

• 两次发送SYN，试图建立同步
• 两次收到SYN，建立同步成功
• 两次随机生成Seq序号
• 发送数据包，设置ACK，ACK = 收到的Seq+1
• 收到数据包，检测ACK，ACK为 判断 收到的ACK ?= 自身Seq+1

【问题1】为什么不能用两次握手进行连接？

答：三次握手的目的： 1.建立同步。2.确定彼此的序列号。

• 两次握手，有可能产生死锁
  假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。
  可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，∴不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组****，只等待连接确认应答分组。
  而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。
  这样就形成了死锁。
• 两次握手，有可能使得失效报文生效
  谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的，“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：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。假设不采用“三次握手”，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

【问题2】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

TCP 数据传输过程

TCP 四次挥手 断开连接

断开连接的必要性:

如果连接不能正常断开，不仅会造成数据传输错误，还会导致套接字不能关闭，持续占用资源，如果并发量高，服务器压力堪忧。

通俗理解:

[Shake 1] 套接字A：“任务处理完毕，我希望断开连接。”
[Shake 2] 套接字B：“哦，是吗？请稍等，我准备一下。”
等待片刻后……
[Shake 3] 套接字B：“我准备好了，可以断开连接了。”
[Shake 4] 套接字A：“我已确定，连接正式断开。

简化理解四个数据包：

→ 断开同步连接 – FIN
←收到指示 --ACK
←断开同步连接 --FIN
→收到，正式断开 --ACK