网络编程套接字（ TCP协议通讯流程）

目录

1、绑定失败问题

2、TCP协议通讯流程

        三次握手的过程

        数据传输的过程

        四次挥手的过程

        TCP和UDP对比

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1、绑定失败问题

当我们测试网络代码时，先将服务端绑定8080端口运行，然后运行客户端，并让客户端连接当前服务器：

当有客户端连接的情况下，我直接将服务端关闭，此时服务端想要再次绑定8080端口时，就会绑定失败：

综上：如果server在保有连接的时候，server自己先因为一些原因而导致退出，服务器无法立即重启。具体原因等后续博主讲解TCP协议时再详谈。

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2、TCP协议通讯流程

下图是基于TCP协议的客户端 / 服务器程序的一般流程：

• TCP是面向连接的，client 通信前先 connect；server 通信前先 accept
• TCP在建立连接的时候，采用的是三次握手，在断开连接的时候，采用的是四次挥手 
• connect发起三次挥手（client），connect只有客户端做。close客户端和服务端都要做。close() client && close() server -> close() 执行4次挥手中的2次

下面我们结合TCP协议的通信流程，来初步认识一下三次握手和四次挥手，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。

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三次握手的过程

采用三次握手来建立连接。三次握手的过程就是两台主机建立通信连接的过程。软件服务器架构：客户端（左），服务端（右）

• 第一次，客户端给服务端发送SYN码，请求连接。
• 第二次，服务端收到客户端发来的请求，然后表示可以连接，发送SYN+ACK。
• 第三次，客户端收到服务器的确认，并再次向服务器发送 ACK码表示确认，服务器收到，两台主机建立连接完成。

示例：

• 偶然的一次机遇，你（客户端）遇到了多年未见的老同学（服务端）。因为变化太大，你只是觉着像，但还是像她微笑点了点头（第一次）。老同学看到了你，一眼就认出了你，也对你微笑点了点头并挥了挥手（第二次）。你看到老同学的反应，更加坚定你们认识。随后，你也向老同学挥了挥手（第三次）。在这个例子中微笑点头用SYN表示，挥挥手用ACK表示。

初始化服务器

• 当服务器完成套接字创建、绑定以及监听的初始化动作之后，就可以调用accept函数阻塞等待客户端发起请求连接了。

服务器初始化：

• 调用socket，创建文件描述符。
• 调用bind，将当前的文件描述符和IP/PORT绑定在一起，如果这个端口已经被其他进程占用了，就会bind失败。
• 调用listen，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，并阻塞，等待客户端连接到来。

建立连接

• 而客户端在完成套接字创建后，就会在合适的时候通过connect函数向服务器发起连接请求，而客户端在connect的时候本质是通过某种方式向服务器三次握手，因此connect的作用实际就是触发三次握手。

建立连接的过程：

• 调用socket，创建文件描述符。
• 调用connect，向服务器发起连接请求。
• connect会发出SYN段并阻塞等待服务器应答（第一次）。
• 服务器收到客户端的SYN，会应答一个SYN-ACK段表示“同意建立连接”（第二次）。
• 客户端收到SYN-ACK后会从connect返回，同时应答一个ACK段（第三次）。

这个建立连接的过程，通常称为三次握手。

• 需要注意的是，连接并不是立马建立成功的，由于TCP属于传输层协议，因此在建立连接时双方的操作系统会自主进行三次协商，最后连接才会建立成功。

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数据传输的过程

• 连接一旦建立成功并且被accept获取上来后，此时客户端和服务器就可以进行数据交互了。需要注意的是，连接建立和连接被拿到用户层是两码事，accept函数实际不参与三次握手这个过程，因为三次握手本身就是底层TCP所做的工作。accept要做的只是将底层已经建立好的连接拿到用户层，如果底层没有建立好的连接，那么accept函数就会阻塞住直到有建立好的连接。
• 而双方在进行数据交互时使用的实际就是read和write，其中write就叫做写数据，read就叫做读数据。write的任务就是把用户数据拷贝到操作系统，而拷贝过去的数据何时发以及发多少，就是由TCP决定的。而read的任务就是把数据从内核读到用户。

数据传输的过程

• 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，通信双方可以同时写数据，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返回后立刻调用read，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待。
• 这时客户端调用write发送请求给服务器，服务器收到后从read返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read阻塞等待服务器端应答。
• 服务器调用write将处理的结果发回给客户端，再次调用read阻塞等待下一条请求。
• 客户端收到后从read返回，发送下一条请求，如此循环下去。

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四次挥手的过程

四次挥手的过程就是两台主机断开通信连接的过程。软件服务器架构：客户端（左），服务端（右）

• 第一次，客户端发送FIN给服务端，表达要断开连接，现在是请求断开的状态
• 第二次，服务端收到FIN请求，回复ACK表达可以，等待结束的状态
• 第三次，服务端发送FIN给客户端，并且客户端收到ACK请求，进入半连接半断开状态
• 第四次，客户端收到FIN，等待时间，回复ACK确认，双方进入close状态

示例：

• 当你成功追到了女孩并走上婚姻的殿堂。结婚后你整体游手好闲，女生受不了你不思进取。便要提出和你离婚（第一次），你同意了她的离婚请求（第二次）。但同意归同意，离婚协议书上你死皮赖脸就是不签字，一直耗着女生。终于有一天，你也无法忍受这样耗下去了，便向她也提出了离婚申请（第三次）。女方果断答应（第四次）。此时双方进入CLOSE状态。

端口连接

• 当双方通信结束之后，需要通过四次挥手的方案使双方断开连接，当客户端调用close关闭连接后，服务器最终也会关闭对应的连接。而其中一次close就对应两次挥手，因此一对close最终对应的就是四次挥手。

断开连接的过程

• 如果客户端没有更多的请求了，就调用close关闭连接，客户端会向服务器发送FIN段（第一次）。
• 此时服务器收到FIN后，会回应一个ACK，同时read会返回0（第二次）。
• read返回之后，服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close关闭连接，这个时候服务器会向客户端发送一个FIN（第三次）。
• 客户端收到FIN，再返回一个ACK给服务器（第四次）。

这个断开连接的过程，通常称为四次挥手。

注意通讯流程与socket API之间的对应关系

在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议是如何交互的：

• 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就表明收到了FIN段。

为什么要断开连接？

• 建立连接本质上是为了保证通信双方都有专属的连接，这样我们就可以加入很多的传输策略，从而保证数据传输的可靠性。但如果双方通信结束后不断开对应的连接，那么系统的资源就会越来越少。
• 因为服务器是会收到大量连接的，操作系统必须要对这些连接进行管理，在管理连接时我们需要“先描述再组织”。因此当一个连接建立后，在服务端就会为该连接维护对应的数据结构，并且会将这些连接的数据结构组织起来，此时操作系统对连接的管理就变成了对链表的增删查改。
• 如果一个连接建立后不断开，那么操作系统就需要一直为其维护对应的数据结构，而维护这个数据结构是需要花费时间和空间的，因此当双方通信结束后就应该将这个连接断开，避免系统资源的浪费，这其实就是TCP比UDP更复杂的原因之一，因为TCP需要对连接进行管理。

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TCP和UDP对比

• 可靠传输 vs 不可靠传输
• 有连接 vs 无连接
• 字节流 vs 数据报