营销型网站建设团队,内江网站开发,wordpress 用户授权,沭阳网站建设招聘本篇根据TCP Socket 相关知识点和学习所得进行整理所得。 文章目录 前言1. TCP相关知识点1.1 双工/单工1.2 TCP协议的主要特点1.3 TCP的可靠性原理1.4 报文段1.4.1 端口1.4.2 seq序号1.4.3 ack确认号1.4.4 数据偏移1.4.5 保留1.4.6 控制位1.4.7 窗口1.4.8 校验和1.4.9 紧…本篇根据TCP Socket 相关知识点和学习所得进行整理所得。 文章目录 前言1. TCP相关知识点1.1 双工/单工1.2 TCP协议的主要特点1.3 TCP的可靠性原理1.4 报文段1.4.1 端口1.4.2 seq序号1.4.3 ack确认号1.4.4 数据偏移1.4.5 保留1.4.6 控制位1.4.7 窗口1.4.8 校验和1.4.9 紧急指针 1.5 粘包与拆包1.5.1 TCP粘包/拆包解决策略 1.6 三次握手1.7 四次挥手 2 Socket相关知识点2.1 Socket2.2 Socket的工作原理2.3 网络中进程之间如何通信2.4 Socket中TCP的三次握手建立连接详解2.5 Socket中TCP的四次握手释放连接详解 3.TCP/IP更深刻的理解3.1 OSI和TCP/IP模型3.2 TCP/IP宏观上的理解3.3 在Linux中展示分层的感觉3.3 TCP连接建立过程 前言
TCP是一个传输层协议提供可靠传输支持全双工是一个连接导向的协议。Socket是TCP / IP协议族 的编程接口API。
1. TCP相关知识点
1.1 双工/单工
1单工在任何一个时刻如果数据只能单向发送就是单工。
2半双工如果在某个时刻数据可以向一个方向传输也可以向另一个方向反方向传输而且交替进行叫作半双半双工需要至少 1 条线路。
3全双工如果任何时刻数据都可以双向收发这就是全双工全双工需要大于 1 条线路. TCP 是一个双工协议数据任何时候都可以双向传输。这就意味着客户端和服务端可以平等地发送、接收信息。
1.2 TCP协议的主要特点
TCP是面向连接的运输层协议所谓面向连接就是双方传输数据之前必须先建立一条通道例如三次握手就是建议通道的一个过程而四次挥手则是结束销毁通道的一个其中过程。每一条TCP连接只能有两个端点 (即两个套接字)只能是点对点的(服务器监控相应端口客户端连接相应的端口端口);TCP提供可靠的传输服务。传送的数据无差错、不丢失、不重复、按序到达TCP提供全双工通信。允许通信双方的应用进程在任何时候都可以发送数据因为两端都设有发送缓存和 接受缓存:面向字节流。虽然应用程序与TCP交互是一次一个大小不等的数据块但TCP把这些数据看成一连串无结构的字节流它不保证接收方收到的数据块和发送方发送的数据块具有对应大小关系例如发送方应用程序交给发送方的TCP10个数据块接收方的TCP可能只用收到的4个数据块字节流交付给上层的应用程序。
1.3 TCP的可靠性原理
可靠传输有如下两个特点:
传输信道无差错,保证传输数据正确:不管发送方以多快的速度发送数据,接收方总是来得及处理收到的数据;
首先采用三次握手来建立TCP连接四次握手来释放TCP连接从而保证建立的传输信道是可靠的。其次TCP采用了连续ARQ协议 (回退N(Go-back-N); 超时自动重传)来保证数据传输的正确性使用滑动窗口协议来保证接方能够及时处理所接收到的数据进行流量控制。 最后TCP使用慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复来进行拥塞控制避免网络拥塞
1.4 报文段
TCP虽面向字节流但传送的数据单元为报文段
报文段 首部 数据2部分
TCP的全部功能体现在它首部中各字段的作用
1. 首部前20个字符固定、后面有4n个字节是根据需要而增加的选项
2. 故 TCP首部最小长度 20字节1.4.1 端口
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2^1665535。
另外1024以下是系统保留的从1024-65535是用户使用的端口范围。
1.4.2 seq序号
占4字节TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。
例如一段报文的序号字段值是107携带的数据是100个字段下一个报文段序号从107100207开始。
1.4.3 ack确认号
4个字节是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
例如B收到A发送的报文其序号字段是301数据长度是200字节表明B正确收到A发送的到序号500为止的数据301200-1500B期望收到A下一个数据序号是501B发送给A的确认报文段中把ack确认号置为501。
1.4.4 数据偏移
头部有可选字段长度不固定指出TCP报文段的数据起始处距离报文段的起始处有多远。
1.4.5 保留
保留今后使用的被标为1。
1.4.6 控制位
由8个标志位组成。每个标志位表示一个控制功能。
1.4.7 窗口
滑动窗口大小用来告知发送端接收端缓存大小以此控制发送端发送数据的速率从而达到流量控制。
1.4.8 校验和
奇偶校验此校验和是对整个的TCP报文段包括TCP头部和TCP数据以16位进行计算所得由发送端计算和存储接收端进行验证。
1.4.9 紧急指针
只有控制位中的URG为1时才有效指出本报文段中的紧急数据的字节数。
1.5 粘包与拆包
TCP是面向字节流的协议把上层应用层的数据看成字节流所以它发送的不是固定大小的数据包TCP协议也没有字段说明发送数据包的大小。而且TCP不保证接受方应用程序收到的数据块和发送应用程序发送的数据块具有对应的大小关系 比如发送方应用程序交给发送方TCP 10个数据块接受方TCP可能只用了4个数据块就完整的把接受到的字节流交给了上层应用程序。 TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分所以在业务上认为一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。
1.5.1 TCP粘包/拆包解决策略
由于TCP无法理解上一层的业务数据特点所以TCP是无法保证发送的数据包不发生粘包和拆包这个问题只能通过上层的协议栈设计来解决解决思路有一下几种
消息定长每个发送的数据包大小固定比如100字节不足100字节的用空格补充接受方取数据的时候根据这个长度来读取数据消息末尾增加换行符来表示一条完整的消息接收方读取的时候根据换行符来判断是否是一条完整的消息如果消息的内容也包含换行符那么这种方式就不合适了。将消息分为消息头和消息尾两部分消息头指定数据长度根据消息长度来读取完整的消息例如UDP协议是这么设计的用两个字节来表示消息长度所以UDP不存在粘包和拆包问题。
1.6 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seqJ保存在TCP首部的序列号字段里指明客户端打算连接的服务器的端口并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SYN1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1ackJ1随机产生一个序号值seqK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J1ACK是否为1如果正确则将标志位ACK置为1ackK1并将该数据包发送给服务器端服务器端检查ack是否为K1ACK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。
根据后期视频三次握手通俗点来讲:
第一次握手是客户端发给服务端客户端发送后等待服务端发送数据确认服务端是否正常运行确认服务端的发送和接收功能是否正常第二次握手是服务端发给客户端服务端告诉客户端我的接收功能正常发送功能正常然后由服务端等待客户端再次发送数据以表明客户端的接收功能正常第三次握手是客户端发给服务端告诉服务端自己收到服务端发送的数据包表明自己的接收功能正常 至此客户端和服务端都确认对方的接收功能和发送功能正常三次握手完成
「上面写的ack和ACK不是同一个概念」 小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number 缩写ack是对上一个包的序号进行确认的号ackseq1。 大写的ACK则是我们上面说的TCP首部的标志位用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作如果确认了则把ACK标志位设置成1。
TCP为什么三次握手而不是两次握手?
为了实现可靠数据传输 TCP 协议的通信双方 都必须维护一个序列号 以标识发送出去的数据包中 哪些是已经被对方收到的。三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值 并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤。如果只是两次握手 至多只有连接发起方的起始序列号能被确认 另一方选择的序列号则得不到确认。
1.7 四次挥手 挥手请求可以是Client端也可以是Server端发起的我们假设是Client端发起
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。第二次挥手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1Client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。第三次挥手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。第四次挥手 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。
根据后期视频四次挥手通俗讲就是 客户端我bb完了 服务器知道了等我bb完 服务器我bb完了 客户端哦
为什么连接的时候是三次握手关闭的时候却是四次握手
建立连接时因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后可以直接发送SYNACK报文。其中ACK报文是用来应答的SYN报文是用来同步的。所以建立连接只需要三次握手。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TIME_WAIT要等待2MSL 有以下两个原因
第一点保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因导致了Server端没有收到Client端的ACK报文那么Server端就会在超时之后重新发送FIN如果此时Client端的连接已经关闭处于CLOESD状态那么重发的FIN就找不到对应的连接了从而导致连接错乱所以Client端发送完最后的ACK不能直接进入CLOSED状态而要保持TIME_WAIT当再次收到FIN的时候能够保证对方收到ACK最后正确关闭连接。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直接进入CLOSED状态然后又再向Server端发起一个新连接这时不能保证新连接的与刚关闭的连接的端口号是不同的也就是新连接和老连接的端口号可能一样了那么就可能出现问题如果前一次的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所以TCP连接需要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL才能保证本次连接的所有数据在网络中消失。
2 Socket相关知识点
2.1 Socket
Socket即套接字是应用层 与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层表现为一个封装了 TCP /IP协议族的编程接口(API)。Socket不是一种协议而是一个编程调用接口 (API)属于传输层(主要解决数据如何在网络中传输)。对用户来说只需调用Socket去组织数据以符合指定的协议即可通信。
那Socket抽象层大致在协议层级中的哪里呢? Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层它是一组接口。在设计模式中Socket其实就是一个门面模式它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面对用户来说一组简单的接口就是全部让Socket去组织数据以符合指定的协议。 换句话说socket本质是编程接口(AP)它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用以实现进程在网络中通信。TCP/IP只是一个协议栈必须要具体实现同时还要提供对外的操作接口 (API)这就是Socket接口。通过Socket,我们才能使用TCP/IP协议。 比如Java语言中的JDK的iava.net包下有两个类: Socket和ServerSocket在Client和Server建立连接成功后两端都会产生一个Socket实例操作这个实例完成所需的会话而我们就通过这些API进行网络编程不需要去关心底层的实现了。 Socket连接过程分为三个步骤: 服务器监听客户端请求连接确认。
2.2 Socket的工作原理
我们只是会用Socket进行通信的编程了但Socket通信流程究竟是什么样的呢? 如下图 先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket然后与端口绑定(bind)对端口进行监听(listen)调用accept阻塞等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket然后连接服务器(connect)如果连接成功这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求服务器端接收请求并处理请求然后把回应数据发送给客户端客户端读取数据最后关闭连接一次交互结束。
2.3 网络中进程之间如何通信
以上述建立连接过程引出更深层的一个问题? 网络中进程之间如何通信?下面的介绍也能解决客户端与客户端之间识别的问题。
本地的进程间通信 (IPC) 有很多种方式但可以总结为下面4类。
消息传递 (管道、FIFO、消息队列)同步 (互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量)共享内存 (匿名的和具名的)远程过程调用(Solaris门和Sun RPC)
我们要讨论的是网络中进程之间如何通信? 首要解决的问题是如何唯一标识一个进程否则通信无从谈起!
在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题网络层的 ip地址” 可以唯一标识网络中的主机而传输层的 “协议端口” 可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用 三元组 (ip地址协议端口) 就可以标识网络的进程了网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口: UNIX BSD的套接字 (socket) 和UNIX System V的TLI (已经被淘汰)来实现网络进程之间的通信。
还有一个问题就是socket指的是(lP, Port)现在假设我已经有了一个istenfd 的socket, 端口是80 然后每次客户端发起连接还要创建新的connfd因为80端口已经被占用难道服务器端会为每个连接都创建新的端口吗?
其实新创建的connfd 并没有使用新的端口号也是用的80,如在实现聊天室功能的时候我们只是为每个客户端的连接单独创建一个线程去处理但并没有为每个连接都创建新的端口。这是什么原因呢?
因为可以这么理解这个socket描述符指向一个数据结构例如 listenfd 指向的结构是这样的:
而一旦accept 新的连接新的connfd 就会生成像下面的表格就生成了两个connfd它们俩服务器端的ip和port都是相同的但是客户端的IP和Port是不同的自然就可以区分开来了。 结论: socket 得通过五元组(协议客户端IP,客户端Port服务器端IP,服务器端Port)来确定
2.4 Socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”即交换三个分组。大致流程如下
客户端向服务器发送一个SYN J服务器向客户端响应一个SYN K并对SYN J进行确认ACK J1客户端再想服务器发一个确认ACK K1 只有就完了三次握手但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢请看下图 从图中可以看出当客户端调用connect时触发了连接请求向服务器发送了SYN J包这时connect进入阻塞状态服务器监听到连接请求即收到SYN J包调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ACK J1这时accept进入阻塞状态客户端收到服务器的SYN K ACK J1之后这时connect返回并对SYN K进行确认服务器收到ACK K1时accept返回至此三次握手完毕连接建立。
2.5 Socket中TCP的四次握手释放连接详解
上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程请看下图 图示过程如下 某个应用进程首先调用close主动关闭连接这时TCP发送一个FIN M 另一端接收到FIN M之后执行被动关闭对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据 一段时间之后接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。
3.TCP/IP更深刻的理解
3.1 OSI和TCP/IP模型
OSI七层参考模型分层是软件工程学涉及的这使得层与层之间的耦合性更低些模型就是是一个理论上的东西。
被物理实现了的就是TCP/IP模型分为了五层包括应用层、传输控制层、网络层、链路层、物理层。 相比于OSI模型TCP/IP模型是将OSI中的表示层和会话层合并到了应用层。
3.2 TCP/IP宏观上的理解
计算机中有2大类程序一种是内核程序一种是人用的应用程序。 无论是OSI还是TCP/IP每个层次是由不同的程序员实现。上面提到的人用的应用程序主要是实现表示层、会话层和应用层在TCP/IP中也就是应用层。传输控制层、网络层、链路层和物理层都是由内核实现。 在电脑中的程序例如QQ、微信、游戏都可以通信同样是通信有一部分代码是一致和重复的另一方面网卡只有一个通过网卡发送数据访问不同的服务器如何去管理好通用的资源这个问题的解决就交给了内核。因此传输控制层、网络层、链路层和物理层都交由内核实现既有规则、资源管理、建立连接的过程。 将不同程序发送数据的表述形式可靠性、安全性、是否加密等就交给人用的应用程序去定义。 以上就是关于TCP/IP宏观上的理解以下进行举例
3.3 在Linux中展示分层的感觉
Linux中输入nc代表系统中的net connect软件是可以和服务器建立连接的小程序
nc www.baidu.com 80输入回车之后界面卡住了代表nc软件与百度服务器进行了连接 查看连接状态
netstat -natp回车之后 注意百度服务器有个默认的规则就是在建立连接之后如果不操作就会断开释放资源 上述操作已经完成了与百度服务器的连接做为应用程序或者说用户有连接之后想要干些啥
连接之后如果想要请求百度的主页走的是HTTP协议 每层都有协议应用层中要获取百度主页页面走HTTP协议发送以下的请求
GET / HTTP/1.0百度服务器返回返回主页的相关信息返回遵守HTTP协议的格式其中HTML是一种超文本标记语言其描述了网页的内容 上述nc的连接过程其实nc是调用了内核中一系列建立连接的事情但是在实际使用浏览器的过程中我们是没有手动输入GET / HTTP/1.0这是因为浏览器程序已经帮我们做了。
3.3 TCP连接建立过程
下面是对连接建立时内核是如何操作的来做演示。
应用层协议nc浏览器等数据如何表示字段如何封装调用内核时首先是传输控制层建立连接TCP/UDP。 这里只讲用的最多的tcp协议TCP干了什么呢? 简要来讲就是面向连接、可靠的传输 连接和传输对应了三次握手数据传输四次分手
三次握手建立连接是传输控制层的连接就是双方开辟了内存资源数据传输传输数据会返回确认信息保证不会出现丢数据四次分手断开连接释放对应的内存资源
三次握手通俗点来讲: 第一次握手是客户端发给服务端客户端发送后等待服务端发送数据确认服务端是否正常运行确认服务端的发送和接收功能是否正常 第二次握手是服务端发给客户端服务端告诉客户端我的接收功能正常发送功能正常然后由服务端等待客户端再次发送数据以表明客户端的接收功能正常 第三次握手是客户端发给服务端告诉服务端自己收到服务端发送的数据包表明自己的接收功能正常 至此客户端和服务端都确认对方的接收功能和发送功能正常三次握手完成
四次挥手通俗讲就是 客户端我bb完了 服务器知道了等我bb完 服务器我bb完了 客户端哦
以上内容来自于参考视频适合在学习完本节前的知识用来加深理解TCP/IP应用层协议你了解吗TCP面向连接的可靠的连接到底是什么三次握手是怎么实现的socket的作用是什么四次分手时如何进行的三次握手四次分手实操流程是怎样的0-10:00
