[网络协议]linux-三次握手和四次挥手、滑动窗口、函数封装思想与高并发服务器

1 内容回顾

数据的通信过程: 就是发送之前层层打包, 对方收到之后再层层解包.
7层模型和4层模型:
协议格式: TCP和UDP
UDP: 端口
TCP: 端口, 有序号和确认序号, 目的是使数据有序且不丢失.
IP: 32位IP, 网络字节序, TTL(下一跳), TTL的目的是防止网络阻塞.
socket概念: 一个文件描述符, 2个缓冲区, 2个队列

服务端的编码流程:

1. 创建socket
2. 将lfd与IP和端口进行绑定
3. 侦听listen
4. 将socket有主动态变为被动态
5. 调用accept函数阻塞等待新的连接到来
6. while循环read 和 write
7. close文件描述符lfd和cfd

客户端的编码流程:

1. 创建socket
2. 调用connect连接远端的服务器
3. while循环 read 和 write
4. close文件描述符cfd

2 学习目标

• 掌握三次握手建立连接过程
• 掌握四次握手关闭连接的过程
• 掌握滑动窗口的概念
• 掌握错误处理函数封装
• 实现多进程并发服务器
• 实现多线程并发服务器

3 三次握手和四次挥手

思考: 为什么TCP是面向连接的安全可靠的传输????

TCP是面向连接的安全的数据传输, 在客户端与服务端建立建立的时候要经过三次握手的过程, 在客户端与服务端断开连接的时候要经历四次挥手的过程, 下图是客户端与服务端三次握手建立连接, 数据传输和断开连接四次挥手的全过程。

TCP时序:

说明讲义中图的含义:
SYN: 表示请求, ACK:表示确认。服务端发送的SYN和客户端发送的SYN本身也会占1位.

单独讲解三次握手过程, 以图解形式说明.
上图中ACK表示确认序号, 确认序号的值是对方发送的序号值+数据的长度, 特别注意的是SYN和FIN本身也会占用一位.
注: 	SYS----->synchronous
 	   	ACK----->acknowledgement
  	   	FIN------>finish

三次握手和四次挥手的过程都是在内核实现的。

下图是TCP数据报格式，窗口大小: 指的是缓冲区大小。

通信的时候不再需要SYN标识位了, 只有在请求连接的时候需要SYN标识位。

传输数据的时候的随机序号seq就是最近一次对方发送给自己的ACK的随机序号值, 而发给对方的ACK就是上次刚刚发给对方的ACK的值.

图中发送的ACK确认包表示给对方发送数据的一个确认, 表示你发送的数据我都收到了, 同时告诉对方下次发送该序号开始的数据.
由于每次发送数据都会收到对方发来的确认包, 所以可以确认对方是否收到了, 若没有收到对方发来的确认包, 则会进行重发.
mss: 最大报文长度, 告诉对方我这边最多一次能收多少, 你不能超过这个长度.
win: 表示告诉对方我这边缓存大小最大是多少.

4 滑动窗口

主要作用: 滑动窗口主要是进行流量控制的。

见下图:如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会导致接收缓冲区满而丢失数据。TCP协议通过“滑动窗口（Sliding Window）”机制解决这一问题。

详细说明参考讲义。图中win表示告诉对方我这边缓冲区大小是多少, mss表示告诉对方我这边最多一次可以接收多少数据, 你最好不要超过这个长度.

在客户端给服务端发包的时候, 不一定是非要等到服务端返回响应包, 由于客户端知道服务端的窗口大小, 所以可以持续多次发送, 当发送数据达到对方窗口大小了就不再发送, 需要等到对方进行处理, 对方处理之后可继续发送.

4.1 mss和MTU

MTU:通信术语最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为 单位). 最大传输单元这个参数通常与通信接口有关（网络接口卡、串口等), 这个值如果设置为太大会导致丢包重传的时候重传的数据量较大, 图中的最大值是1500, 其实是一个经验值.

mss: 最大报文长度, 只是在建立连接的时候, 告诉对方我最大能够接收多少数据, 在数据通信的过程中就没有mss了。

5 函数封装思想

函数封装的思想-处理异常情况
结合man-page和errno进行封装。
在封装的时候起名可以把第一个函数名的字母大写, 如socket可以封装成Socket, 这样可以按shift+k进行搜索, shift+k搜索函数说明的时候不区分大小写, 使用man page也可以查看, man page对大小写不区分.

像accept，read这样的能够引起阻塞的函数，若被信号打断，由于信号的优先级较高, 会优先处理信号, 信号处理完成后，会使accept或者read解除阻塞, 然后返回, 此时返回值为 -1，设置errno=EINTR;
errno=ECONNABORTED表示连接被打断,异常.

errno宏:在/usr/include/asm-generic/errno.h文件中包含了errno所有的宏和对应的错误描述信息.

粘包的概念
粘包: 多次数据发送, 收尾相连, 接收端接收的时候不能正确区分第一次发 送多少, 第二次发送多少.

粘包问题分析和解决??
方案1: 包头+数据
如4位的数据长度+数据 -----------> 00101234567890，其中0010表示数据长度, 1234567890表示10个字节长度的数据。另外, 发送端和接收端可以协商更为复杂的报文结构，这个报文结构就相当于双方约定的一个协议。
方案2: 添加结尾标记.
如结尾最后一个字符为\n $等.
方案3: 数据包定长
如发送方和接收方约定, 每次只发送128个字节的内容, 接收方接收定 长128个字节就可以了.

wrap.c代码解读和分析.
要求能看懂代码, 会使用即可.

6 高并发服务器

如何支持多个客户端—支持多并发的服务器
由于accept和read函数都会阻塞, 如当read的时候, 不能调用accept接受新的连接, 当accept阻塞等待的时候不能read读数据.

第一种方案: 使用多进程, 可以让父进程接受新连接, 让子进程处理与客户端通信
思路: 让父进程accept接受新连接, 然后fork子进程, 让子进程处理通信, 子进程处理完成后退出, 父进程使用SIGCHLD信号回收子进程.

/*************************************************************************************
 * @Descripttion : 
 * @version      : 1.0
 * @Author       : liuziyan
 * @Date         : 2021-07-27 20:00:35
 * @LastEditors  : Lzy
 * @LastEditTime : 2021-07-27 21:02:13
 * @FilePath     : /day2/mult-process.c
 * @Copyright 2021 liuziyan, All Rights Reserved. 
 *************************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>

#include "wrap.h"

int main(int argc, char **argv)
{

    //创建SOCKET
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //绑定
    struct sockaddr_in server;
    bzero(&server, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(8888);
    server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    Bind(lfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));

    //设置监听
    Listen(lfd, 128);

    pid_t pid;
    int cfd;
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t len;
    char sIP[16];

    while (1)
    {
        bzero(&client, sizeof(client));
        len = sizeof(client);

        //接受新的连接
        cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&client,&len);
        memset(sIP,0,sizeof(sIP));

        //打印客户端IP地址和端口号
        printf("clinet ip == [%s], port == [%d]\n",inet_ntop(AF_INET,&client.sin_addr.s_addr,sIP,sizeof(sIP)),ntohs(client.sin_port));

        //接受一个新的连接，创建一个新的进程，让子进程完成数据的收发工作
        pid = fork();
        if (pid < 0)
        {
            perror("fork error");
            return -1;
        }
        else if (pid > 0)
        {
            //关闭通信文件描述符
            close(cfd);
        }
        else if (pid == 0)
        {
            //关闭监听文件描述符
            close(lfd);

            int n,i;
            char buf[1024];
            while (1)
            {
                
                memset(buf, '\0', sizeof(buf));
                //读数据
                n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));

                if (n <= 0)
                {
                    printf("read error or client closed, n == [%d]\n", n);
                    break;
                } 
                
                printf("[%d]--->:n==[%d], buf = [%s]\n",ntohs(client.sin_port), n, buf);
                
                //小写转换大写
                for (i = 0; i < n; i++)
                {
                    buf[i] = toupper(buf[i]);
                }
                
                //发送出去
                Write(cfd, buf, n);
            }
            close(cfd);
            exit(0);
        }

    }
    //关闭监听文件描述符
    close(lfd);
    return 0;
}

代码实现:

第二种方案: 使用多线程, 让主线程接受新连接, 让子线程处理与客户端通信; 使用多线程要将线程设置为分离属性, 让线程在退出之后自己回收资源.
思考: 如何不使用多进程或者多线程完成多个客户端的连接请求，可以将accept和read函数设置为非阻塞, 调用fcntl函数可以将文件描述符设置为非阻塞, 让后再while循环中忙轮询.

预习: TCP状态转换, 高并发服务器select poll epoll