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 SYN，ACK 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。