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下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程 上图就是TCP协议的通信流程接下来认识初步认识以下TCP建立连接三次握手和断开连接四次挥手以及建立连接和断开连接与各个网络接口之间的对应关系。
建立连接过程 服务器初始化包括以下步骤
调用 socket 函数创建一个文件描述符用于后续的网络通信。调用 bind将当前的文件描述符与指定的IP地址和端口号绑定在一起。如果指定的端口被其它的进程占用则 bind 操作会失败。调用 listen 函数声明当前这个文件描述符作为一个服务器的文件描述符为后面的 accept 做好准备。调用 accept 函数并阻塞等待客户端的连接请求。当有客户端连接请求达到时accept 函数会返回一个新的文件描述符用于与该客户端进行通信。
通过上述步骤服务器完成了初始化并准备好接收客户端的连接请求。在调用 accept 函数时服务器将会阻塞直到有客户端连接请求达到为止。这样服务器可以与客户端建立连接并进行后续的数据交换和处理。
建立TCP连接的过程
调用 socket 函数创建一个文件描述符用于后续网络通信。调用 connect 函数向服务器发起连接请求。connect 函数会发送一个 SYN同步段并阻塞等待服务器的应答。服务器收到客户端发送的 SYN 段后会向客户端发送一个 SYN-ACK同步 - 确认段表示同意客户端的连接。服务器为该连接分配一个新的序列号并等待客户端的确认。客户端收到服务器发送的 ACK 段后会从 connect() 函数返回同时发送一个 ACK 段作为确认。客户端也会为连接分配一个新的序列号。服务端收到客户端发送的 ACK 段后确认连接成功。此时客户端和服务器已经成功建立连接可以进行数据的传输了。
这个建立连接的过程通常被称为 “三次握手”双方确认了连接开始进行数据交换。需要注意的是连接并不是调用函数后立即建立成功的由于TCP是属于传输层协议在建立连接时双方的操作系统会自主进行三次握手协商协商完成之后才可以连接成功。
数据传输过程 TCP协议负责处理数据的可靠传输和流量控制等底层细节使得应用程序可以通过 read 和 write 函数进行数据的读写操作而无需关系具体的数据传输细节。这样应用程序可以方便地进行数据交互而底层的TCP协议确保了数据的可靠传输和顺序保证。
数据传输的过程如下
建立连接后TCP协议提供全双工的通信服务所谓全双工的意思是在同一条连接中同一时刻通信双方可以同时进行数据的读写操作相对的概念叫做半双工同一条连接在同一时刻只能由一方来写数据。服务器从 accept() 函数返回后立即调用 read() 来读取数据读 socket 就像管道一样如果没有数据到达就阻塞等待。此时客户端调用 write() 函数向服务器发送请求服务器收到请求后从 read() 函数返回并开始处理客户端的请求。在此期间客户端调用 read() 函数阻塞等待客户端的应答。服务器调用 write() 函数将处理结果发送给客户端再次调用 read() 函数阻塞等待下一条请求。客户端收到服务器的应答后从 read() 函数返回并发送下一条请求。这样循环往复实现了双方之间的数据传输。
断开连接问题 当双方通信结束后通过四次挥手的方案进行连接的断开。在TCP协议中每个端需要发送一个 FIN 段来表示自己不再需要发送数据而对方需要发送一个 ACK 段进行确认。因此客户端和服务端双方 close() 操作最终对应的就是四次挥手过程。
通信双方断开连接的过程
当客户端没有请求需要发送时客户端调用 close() 函数关闭连接客户端会向服务器发送一个 FIN 段作为请求关闭连接的信号第一次挥手。服务器收到 FIN 段后回应一个 ACK 段表示已经收到关闭请求同时服务器调用 read() 函数会返回0第二次挥手。当服务器收到客户端的 ACK 段并且 read() 函数返回0后服务器就直到客户端关闭了连接。这时如果服务端也没有数据发送给客户端了也调用 close() 函数关闭连接并向客户端发送一个 FIN 段第三次挥手。客户端收到 FIN 段后会回应一个 ACK 段表示收到关闭请求第四次挥手。此时通信双方都关闭并收到了对方的响应。此时断开连接成功。
这个断开连接的过程通常称为 “四次挥手”。
在学习 socket API 时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的
应用程序调用某个 socket 函数时TCP协议层完成什么动作比如调用 connect() 会发出 SYN 段。应用程序如何知道TCP协议层的状态变化比如从某个阻塞的 socket 函数返回就表明TCP协议收到了某些段再比如 read() 返回0就表明了收到 FIN 段。
应用程序通过 socket API 调用不同的函数与TCP协议层进行交互。TCP协议层负责处理底层的连接建立、数据传输和连接关闭等细节。通过阻塞式的 Socket API 函数应用程序可以触发TCP协议层的操作并等待相应的响应以实现数据的读写和连接状态的变化通知。
