Socket之TCP相關(guān)

客戶端socket簡單示例(以下都是針對TCP協(xié)議)

#define BUF_SIZE 100

int socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAm,IPPROTO_TCP);
struct sockaddr_in sockAddr;
sockAddr.sn_famil = AF_INET;
sockAddr.sn_addr.s_addr = inet_addr(127.0.0.1);//處理網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序憔晒，大小端差異
sockAddr.sn_port = htons(1234);

connect(socket,(struct sockAddr *)&sockAddr, sizeof(sockAddr) );
char buffer[BUF_SIZE];
read(socket,buffer,sizeof(BUF_SIZE)-1);

close(socket);

服務(wù)端sockt簡單示例

AF_INET:代表ipv4地址苍苞；SOCK_STREAM：數(shù)據(jù)傳輸方式颤专，代表面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法销斟；IPPROTO_TCP:指定協(xié)議
int socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
struct sockAddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));//清理內(nèi)存
sockAddr.sin_famil = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(127.0.0.1);
sockAddr.sin_port = htons(1234);

bind(socket,(struct sockAddr_in*)sockAddr,sizeof(sockAddr));//綁定socket描述符，把組合體特定地址分配給socket踢关。
listen(socket,20);//socket是對應(yīng)描述符咐鹤，20 是可以排隊的最大連接數(shù)
sickle_t  clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
int clinSocket =   accpect(socket, (struct sockaddr*)&serv_addr,clnt_addr_size);//獲取客戶端的socket
char str[] = "你好，客戶端";
write(socket, str,sizeof(str));
close(clinSocket);
close(socket);

客戶端流程

客戶端創(chuàng)建socket侨核，先調(diào)socket函數(shù)創(chuàng)建個socket返回socket描述符草穆，它存在于協(xié)議族空間中沒有具體地址。
聲明結(jié)構(gòu)體sockAddr_in,賦值地址族或稱協(xié)議域搓译，IP地址悲柱，端口，用來識別主機(jī)中的進(jìn)程些己。
conect連接服務(wù)器(這里開始三次握手連接)豌鸡；
然后可以使用下面函數(shù)進(jìn)行發(fā)送接收數(shù)據(jù)了

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

close() 使用后可以關(guān)閉數(shù)據(jù)了(這里開始四次握手?jǐn)嚅_連接)。

服務(wù)端流程

客戶端創(chuàng)建socket段标，先調(diào)socket函數(shù)創(chuàng)建個socket返回socket描述符涯冠，它存在于協(xié)議族空間中沒有具體地址。
聲明結(jié)構(gòu)體sockAddr_in,賦值地址族或稱協(xié)議域逼庞，IP地址蛇更，端口，用來識別主機(jī)中的進(jìn)程。
調(diào)用bind()函數(shù)把一個地址族中的特定地址賦給socket派任，如：把AF_INET砸逊，SOCK_STREAM，IPPROTO_TCP組合賦值給socket掌逛。如果沒有調(diào)用過bind()這個函數(shù)师逸，客戶端調(diào)用connect() 或者服務(wù)端調(diào)用listen()監(jiān)聽函數(shù)，系統(tǒng)會自動分配一個端口號和自身的IP地址組合豆混，用于提供服務(wù)篓像，而客戶端就不用指定，這也是服務(wù)端代碼要調(diào)bind()函數(shù)而客戶端不用的原因皿伺。(客戶端不用bind函數(shù))遗淳。
調(diào)用listen(),開始監(jiān)聽上面創(chuàng)造的socket。
當(dāng)socket處于listen狀態(tài),調(diào)用accept()程序就會進(jìn)入阻塞狀態(tài)心傀，直到接受到客戶端的connect()請求。accept() 會返回一個和客戶端有關(guān)的socket描述字符拆讯，然后可以對這個字符進(jìn)行各種讀寫操作脂男，便是向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。
6.使用完成后便可以close關(guān)閉自己創(chuàng)建的socket和accept返回的socket

注：close是將socket從內(nèi)存中清楚种呐，還有種方式shutdown宰翅，用來斷開連接，但是不會清除socket爽室，函數(shù)原型int shutdown(int sock, int howto),howto參數(shù)表示斷開方式汁讼。在linux下有以下幾個方式。

SHUT_RD：斷開輸入流阔墩。套接字無法接收數(shù)據(jù)（即使輸入緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)也被抹去）嘿架，無法調(diào)用輸入相關(guān)函數(shù)。其他平臺稍有不同啸箫。
SHUT_WR：斷開輸出流耸彪。套接字無法發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果輸出緩沖區(qū)中還有未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)忘苛，則將傳遞到目標(biāo)主機(jī)蝉娜。
SHUT_RDWR：同時斷開 I/O 流。相當(dāng)于分兩次調(diào)用 shutdown()扎唾，其中一次以
SHUT_RD 為參數(shù)召川，另一次以 SHUT_WR 為參數(shù)

三次握手建立連接

首先得有個服務(wù)端處于監(jiān)聽socket的狀態(tài)，accept阻塞著線程等待客戶端的請求胸遇。
下圖是網(wǎng)上找的TCP數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)荧呐，握手時的數(shù)據(jù)包格式

TCP數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)

三次握手中，需要對TCP頭部的這幾個概念理解

seq表示包的序號。
ack來確認(rèn)對方發(fā)送的某個序號seq收到了坛增，采用ack = seq + 1的方式
URG获雕，ACK，PSH收捣，PST届案，SYN，F(xiàn)IN這6個bit表示標(biāo)志罢艾，SYN表示是同步連接數(shù)據(jù)包楣颠，F(xiàn)IN是否斷連數(shù)據(jù)包。所以四次斷連發(fā)送的就是FIN包咐蚯。

第一次：客戶端調(diào)用connect()向目標(biāo)socket發(fā)起連接請求童漩，這一步客戶端socket會組織一個數(shù)據(jù)包比如：ACK標(biāo)志位不設(shè)置，設(shè)置SYN標(biāo)志位(Synchronous同步的意思春锋，同步建立連接)標(biāo)志位 =1矫膨，seq = x，進(jìn)入SYN-SEND(同步已發(fā)送)狀態(tài)期奔，發(fā)送給服務(wù)端侧馅，此時connect()函數(shù)會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待服務(wù)端的返回呐萌。

第一次握手?jǐn)?shù)據(jù)包

第二次：服務(wù)端接受到客戶端的請求和數(shù)據(jù)包后馁痴，組織數(shù)據(jù)包，SYN置1肺孤，ACK標(biāo)志位(Acknowledge確認(rèn)的意思)置1罗晕，同時生成一個確認(rèn)序號ack= x+1 ，同時隨機(jī)選擇seq = y進(jìn)入SYN-RCVD(同步已發(fā)送)狀態(tài)赠堵。

第二次握手?jǐn)?shù)據(jù)包

第三次：客戶端接受到了服務(wù)端的確認(rèn)連接請求數(shù)據(jù)包小渊，此時connect會返回，進(jìn)入連接狀茫叭，組織數(shù)據(jù)包：SYN標(biāo)志位不設(shè)置粤铭，ACK置1，確認(rèn)號ack = y+1杂靶，seq= x + 1(我第二次發(fā)給你包)梆惯，再次發(fā)送給服務(wù)端，表示已經(jīng)知道你已經(jīng)收到我想連接的請求并且可以連接了吗垮。此時服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后垛吗，進(jìn)入已建立連接的狀態(tài)，accept()函數(shù)會返回一個socket 描述符烁登，即怯屉，我們在服務(wù)端進(jìn)行讀寫操作的socket蔚舀，這樣連接就完成了。

第三次握手TCP數(shù)據(jù)包

三次握手連接示意圖

注：

seq的作用是標(biāo)識數(shù)據(jù)包序號锨络，ack的作用是確認(rèn)對方發(fā)送相應(yīng)seq序號的數(shù)據(jù)包是否收到赌躺，把客戶端發(fā)的seq加上1賦值給ack，然后返回給客戶端表示已經(jīng)收到你的連接請求羡儿，同時自己根據(jù)ack的值礼患，再次組織下一個按序號應(yīng)該發(fā)送的包，給seq賦值掠归，發(fā)送給客戶端缅叠，客戶端收到數(shù)據(jù)后，查看ack是否是自己第一次發(fā)送數(shù)據(jù)包里的seq加上1的值虏冻，來確認(rèn)服務(wù)端有沒有收到自己的連接請求肤粱，然后客戶端重新組織數(shù)據(jù)包，把服務(wù)端數(shù)據(jù)包里的seq加上1 賦值給自己的ack確認(rèn)號厨相，發(fā)送給服務(wù)端领曼，表示我已經(jīng)知道你收到我發(fā)送連接的請求了。
這個過程中若是收到服務(wù)的數(shù)據(jù)包ack并不是上次自己發(fā)送seq加上1蛮穿，則會認(rèn)為服務(wù)端沒有收到數(shù)據(jù)悯森，會重新組織數(shù)據(jù)再次發(fā)送，直到接到服務(wù)端包含正確的seq數(shù)據(jù)包或者等待數(shù)據(jù)包時間超時失效绪撵。

四次握手?jǐn)嚅_連接

客戶端調(diào)用close()函數(shù)后，向服務(wù)端發(fā)送FIN數(shù)據(jù)包(設(shè)置了FIN標(biāo)志位為1)祝蝠，客戶端進(jìn)入第一等待階段音诈。
服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包后，檢測到設(shè)置FIN標(biāo)志位绎狭，知道要斷開連接了细溅，向客戶端發(fā)送一個確認(rèn)包，服務(wù)端進(jìn)入關(guān)閉等待階段儡嘶。并不是立即關(guān)閉喇聊，只是先向客戶端發(fā)送確認(rèn)包，告訴客戶端蹦狂，我知道要斷開了誓篱，準(zhǔn)備些事情。此時凯楔，客戶端收到確認(rèn)包后窜骄，等待服務(wù)器準(zhǔn)備完畢再次給自己發(fā)送數(shù)據(jù)包，這時客戶端進(jìn)入第二等待階段摆屯。
過一段時間后邻遏，服務(wù)器準(zhǔn)備完成，可以斷開連接了，于時再次發(fā)送FIN包准验，告訴客戶端赎线，準(zhǔn)備好了，可以斷開連接了糊饱，這時服務(wù)端進(jìn)入一個LAST_ACK的狀態(tài)(猜測時只能接收一個ACK包的狀態(tài))垂寥。
客戶端收到服務(wù)端的FIN數(shù)據(jù)包后，再次向服務(wù)端發(fā)送ACK包济似，告訴服務(wù)端矫废，斷開吧，就進(jìn)入了TIME_WAIT狀態(tài)（注意砰蠢，此時客戶端并不是立即斷開連接蓖扑，而是會等待一會，因為會存在數(shù)據(jù)包丟失的情況台舱，若是服務(wù)端沒有收到自己最后發(fā)送的數(shù)據(jù)包律杠，則服務(wù)端還會向客戶端發(fā)送FIN_2數(shù)據(jù)包，等待時間竞惋，與數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的有效時限有關(guān)）柜去。此時，服務(wù)端接受到數(shù)據(jù)后會關(guān)閉Socket進(jìn)入Close狀態(tài)拆宛∩ど荩客戶端等了一段時間后仍沒有接到FIN_2的數(shù)據(jù)包，就會認(rèn)為浑厚，服務(wù)端已經(jīng)接到自己最后一次發(fā)送的數(shù)據(jù)包股耽，這時客戶端才會進(jìn)入CLOSE的狀態(tài)。

四次斷連圖

socket緩沖區(qū)以及阻塞模式

socket緩沖區(qū)

每個socket創(chuàng)建后钳幅，都會分配兩個緩沖區(qū)物蝙，輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。
write()和send() 并不是立即向網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)敢艰，而是先將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)中诬乞，由TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)機(jī)器，一旦數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)钠导，函數(shù)就可以成功返回震嫉，不管有沒有到達(dá)目標(biāo)機(jī)器，也不管他們何時被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)牡属，這些都是TCP負(fù)責(zé)的事情责掏。
這些I/O緩沖區(qū)特性如下：

I/O緩沖區(qū)在每個TCP套接字中單獨(dú)存在
I/O緩沖區(qū)在創(chuàng)建套接字時會自動生成
即使關(guān)閉套接字也會繼續(xù)傳送輸出緩沖區(qū)中遺留的數(shù)據(jù)。
關(guān)閉套接字將丟失輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)

四次握手?jǐn)噙B示意圖.jpg

阻塞模式

對于TCP套接字湃望，當(dāng)使用write()/send()發(fā)送數(shù)據(jù)時：

首先會檢查緩沖區(qū)换衬，若緩沖區(qū)的剩余空間小雨要發(fā)送的數(shù)據(jù)時痰驱，write()/send()進(jìn)入阻塞模式，將會等待數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)機(jī)器瞳浦，騰出足夠空間担映，才會喚醒write()/send()函數(shù)繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。
如果TCP協(xié)議正在向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)叫潦，那么輸出緩沖區(qū)將會被鎖定蝇完，不允許寫入，write/send()函數(shù)寫入數(shù)據(jù)矗蕊。
如果要寫入的數(shù)據(jù)大于緩沖區(qū)的最大長度短蜕，那么將會分批寫入。
直到所有數(shù)據(jù)被寫入緩沖區(qū) write()/send() 才能返回傻咖。
當(dāng)使用read和recv讀取數(shù)據(jù)時朋魔。
手寫會檢查緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)卿操，那么就讀取警检，否則函數(shù)會被阻塞，直到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)到來害淤。
如果要讀取的數(shù)據(jù)長度小于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)長度扇雕，那么就不能不一次性將緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)讀出，剩余數(shù)據(jù)將不斷積壓窥摄，直到read()/recv()函數(shù)才會返回镶奉，否則就一直被阻塞。
直到讀取到數(shù)據(jù)后 read()/recv()才會返回崭放，否則就一直被阻塞哨苛。

所謂阻塞，就是上一步動作沒有完成莹菱，下一步動作將暫停，直到上一步動作完成后才能繼續(xù)吱瘩，以保持同步性道伟。