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socket网络编程是如何在TCP协议中的通信的

分类: 文章 • 2024-11-23 20:52:04

每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

socket网络编程是如何在TCP协议中的通信的
图：TCP套接字的I/O缓冲区示意图


这些I/O缓冲区特性可整理如下：

  • I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
  • I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
  • 即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
  • 关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。


输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K，可以通过 getsockopt() 函数获取：

 
  1. unsigned optVal;
  2. int optLen = sizeof(int);
  3. getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char*)&optVal, &optLen);
  4. printf("Buffer length: %d\n", optVal);

运行结果：
Buffer length: 8192

这里仅给出示例，后面会详细讲解。

阻塞模式

对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时：
1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。

2) 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。

3) 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。

4) 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

当使用 read()/recv() 读取数据时：
1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。

2) 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。

3) 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的。当然你也可以更改为非阻塞模式，后续我们会讲解。

TCP协议的粘包问题（数据的无边界性）

上节我们讲到了socket缓冲区和数据的传递过程，可以看到数据的接收和发送是无关的，read()/recv() 函数不管数据发送了多少次，都会尽可能多的接收数据。也就是说，read()/recv() 和 write()/send() 的执行次数可能不同。

例如，write()/send() 重复执行三次，每次都发送字符串"abc"，那么目标机器上的 read()/recv() 可能分三次接收，每次都接收"abc"；也可能分两次接收，第一次接收"abcab"，第二次接收"cabc"；也可能一次就接收到字符串"abcabcabc"。

假设我们希望客户端每次发送一位学生的学号，让服务器端返回该学生的姓名、住址、成绩等信息，这时候可能就会出现问题，服务器端不能区分学生的学号。例如第一次发送 1，第二次发送 3，服务器可能当成 13 来处理，返回的信息显然是错误的。

这就是数据的“粘包”问题，客户端发送的多个数据包被当做一个数据包接收。也称数据的无边界性，read()/recv() 函数不知道数据包的开始或结束标志（实际上也没有任何开始或结束标志），只把它们当做连续的数据流来处理。

下面的代码演示了粘包问题，客户端连续三次向服务器端发送数据，服务器端却一次性接收到所有数据。

服务器端代码 server.cpp：

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <windows.h>
  3. #pragma comment (lib, "ws2_32.lib") //加载 ws2_32.dll
  4.  
  5. #define BUF_SIZE 100
  6.  
  7. int main(){
  8. WSADATA wsaData;
  9. WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
  10.  
  11. //创建套接字
  12. SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  13.  
  14. //绑定套接字
  15. sockaddr_in sockAddr;
  16. memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr)); //每个字节都用0填充
  17. sockAddr.sin_family = PF_INET; //使用IPv4地址
  18. sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具体的IP地址
  19. sockAddr.sin_port = htons(1234); //端口
  20. bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));
  21.  
  22. //进入监听状态
  23. listen(servSock, 20);
  24.  
  25. //接收客户端请求
  26. SOCKADDR clntAddr;
  27. int nSize = sizeof(SOCKADDR);
  28. char buffer[BUF_SIZE] = {0}; //缓冲区
  29. SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);
  30.  
  31. Sleep(10000); //注意这里，让程序暂停10秒
  32.  
  33. //接收客户端发来的数据，并原样返回
  34. int recvLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);
  35. send(clntSock, buffer, recvLen, 0);
  36.  
  37. //关闭套接字并终止DLL的使用
  38. closesocket(clntSock);
  39. closesocket(servSock);
  40. WSACleanup();
  41.  
  42. return 0;
  43. }


客户端代码 client.cpp：

 
  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <WinSock2.h>
  4. #include <windows.h>
  5. #pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //加载 ws2_32.dll
  6.  
  7. #define BUF_SIZE 100
  8.  
  9. int main(){
  10. //初始化DLL
  11. WSADATA wsaData;
  12. WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
  13.  
  14. //向服务器发起请求
  15. sockaddr_in sockAddr;
  16. memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr)); //每个字节都用0填充
  17. sockAddr.sin_family = PF_INET;
  18. sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  19. sockAddr.sin_port = htons(1234);
  20.  
  21. //创建套接字
  22. SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  23. connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));
  24.  
  25. //获取用户输入的字符串并发送给服务器
  26. char bufSend[BUF_SIZE] = {0};
  27. printf("Input a string: ");
  28. gets(bufSend);
  29. for(int i=0; i<3; i++){
  30. send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);
  31. }
  32. //接收服务器传回的数据
  33. char bufRecv[BUF_SIZE] = {0};
  34. recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);
  35. //输出接收到的数据
  36. printf("Message form server: %s\n", bufRecv);
  37.  
  38. closesocket(sock); //关闭套接字
  39. WSACleanup(); //终止使用 DLL
  40.  
  41. system("pause");
  42. return 0;
  43. }


先运行 server，再运行 client，并在10秒内输入字符串"abc"，再等数秒，服务器就会返回数据。运行结果如下：
Input a string: abc
Message form server: abcabcabc

本程序的关键是 server.cpp 第31行的代码Sleep(10000);，它让程序暂停执行10秒。在这段时间内，client 连续三次发送字符串"abc"，由于 server 被阻塞，数据只能堆积在缓冲区中，10秒后，server 开始运行，从缓冲区中一次性读出所有积压的数据，并返回给客户端。

另外还需要说明的是 client.cpp 第34行代码。client 执行到 recv() 函数，由于输入缓冲区中没有数据，所以会被阻塞，直到10秒后 server 传回数据才开始执行。用户看到的直观效果就是，client 暂停一段时间才输出 server 返回的结果。

client 的 send() 发送了三个数据包，而 server 的 recv() 却只接收到一个数据包，这很好的说明了数据的粘包问题。

TCP数据报结构以及三次握手

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。

客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。

TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻为下面的对话：

  • [Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我这里有数据要传送给你，建立连接吧。”
  • [Shake 2] 套接字B：“好的，我这边已准备就绪。”
  • [Shake 3] 套接字A：“谢谢你受理我的请求。”

TCP数据报结构

我们先来看一下TCP数据报的结构：
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带阴影的几个字段需要重点说明一下：
1) 序号：Seq（Sequence Number）序号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记。

2) 确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq + 1。

3) 标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：

  • URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  • ACK：确认序号有效。
  • PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  • RST：重置连接。
  • SYN：建立一个新连接。
  • FIN：断开一个连接。
对英文字母缩写的总结：Seq 是 Sequence 的缩写，表示序列；Ack(ACK) 是 Acknowledge 的缩写，表示确认；SYN 是 Synchronous 的缩写，愿意是“同步的”，这里表示建立同步连接；FIN 是 Finish 的缩写，表示完成。

连接的建立（三次握手）

使用 connect() 建立连接时，客户端和服务器端会相互发送三个数据包，请看下图：
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客户端调用 socket() 函数创建套接字后，因为没有建立连接，所以套接字处于CLOSED状态；服务器端调用 listen() 函数后，套接字进入LISTEN状态，开始监听客户端请求。

这个时候，客户端开始发起请求：
1) 当客户端调用 connect() 函数后，TCP协议会组建一个数据包，并设置 SYN 标志位，表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000，填充“序号（Seq）”字段，表示该数据包的序号。完成这些工作，开始向服务器端发送数据包，客户端就进入了SYN-SEND状态。

2) 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 标志位，就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包，并设置 SYN 和 ACK 标志位，SYN 表示该数据包用来建立连接，ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。

服务器生成一个随机数 2000，填充“序号（Seq）”字段。2000 和客户端数据包没有关系。

服务器将客户端数据包序号（1000）加1，得到1001，并用这个数字填充“确认号（Ack）”字段。

服务器将数据包发出，进入SYN-RECV状态。

3) 客户端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位，就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 1000+1，如果是就说明连接建立成功。

接下来，客户端会继续组建数据包，并设置 ACK 标志位，表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时，将刚才服务器发来的数据包序号（2000）加1，得到 2001，并用这个数字来填充“确认号（Ack）”字段。

客户端将数据包发出，进入ESTABLISED状态，表示连接已经成功建立。

4) 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 ACK 标志位，就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 2000+1，如果是就说明连接建立成功，服务器进入ESTABLISED状态。

至此，客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态，连接建立成功，接下来就可以收发数据了。

最后的说明

三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包，这个目标就是通过“确认号（Ack）”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq，待收到对方的数据包后，检测“确认号（Ack）”字段，看Ack = Seq + 1是否成立，如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。

TCP数据的传输过程

建立连接后，两台主机就可以相互传输数据了。如下图所示：

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图1：TCP 套接字的数据交换过程


上图给出了主机A分2次（分2个数据包）向主机B传递200字节的过程。首先，主机A通过1个数据包发送100个字节的数据，数据包的 Seq 号设置为 1200。主机B为了确认这一点，向主机A发送 ACK 包，并将 Ack 号设置为 1301。

为了保证数据准确到达，目标机器在收到数据包（包括SYN包、FIN包、普通数据包等）包后必须立即回传ACK包，这样发送方才能确认数据传输成功。

此时 Ack 号为 1301 而不是 1201，原因在于 Ack 号的增量为传输的数据字节数。假设每次 Ack 号不加传输的字节数，这样虽然可以确认数据包的传输，但无法明确100字节全部正确传递还是丢失了一部分，比如只传递了80字节。因此按如下的公式确认 Ack 号：

Ack号 = Seq号 + 传递的字节数 + 1

与三次握手协议相同，最后加 1 是为了告诉对方要传递的 Seq 号。

下面分析传输过程中数据包丢失的情况，如下图所示：

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图2：TCP套接字数据传输过程中发生错误


上图表示通过 Seq 1301 数据包向主机B传递100字节的数据，但中间发生了错误，主机B未收到。经过一段时间后，主机A仍未收到对于 Seq 1301 的ACK确认，因此尝试重传数据。

为了完成数据包的重传，TCP套接字每次发送数据包时都会启动定时器，如果在一定时间内没有收到目标机器传回的 ACK 包，那么定时器超时，数据包会重传。

上图演示的是数据包丢失的情况，也会有 ACK 包丢失的情况，一样会重传。

重传超时时间（RTO, Retransmission Time Out）

这个值太大了会导致不必要的等待，太小会导致不必要的重传，理论上最好是网络 RTT 时间，但又受制于网络距离与瞬态时延变化，所以实际上使用自适应的动态算法（例如 Jacobson 算法和 Karn 算法等）来确定超时时间。

往返时间（RTT，Round-Trip Time）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的 ACK 确认包（接收端收到数据后便立即确认），总共经历的时延。

重传次数

TCP数据包重传次数根据系统设置的不同而有所区别。有些系统，一个数据包只会被重传3次，如果重传3次后还未收到该数据包的 ACK 确认，就不再尝试重传。但有些要求很高的业务系统，会不断地重传丢失的数据包，以尽最大可能保证业务数据的正常交互。

最后需要说明的是，发送端只有在收到对方的 ACK 确认包后，才会清空输出缓冲区中的数据。

TCP四次握手断开连接

建立连接非常重要，它是数据正确传输的前提；断开连接同样重要，它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开，不仅会造成数据传输错误，还会导致套接字不能关闭，持续占用资源，如果并发量高，服务器压力堪忧。

建立连接需要三次握手，断开连接需要四次握手，可以形象的比喻为下面的对话：

  • [Shake 1] 套接字A：“任务处理完毕，我希望断开连接。”
  • [Shake 2] 套接字B：“哦，是吗？请稍等，我准备一下。”
  • 等待片刻后……
  • [Shake 3] 套接字B：“我准备好了，可以断开连接了。”
  • [Shake 4] 套接字A：“好的，谢谢合作。”


下图演示了客户端主动断开连接的场景：

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建立连接后，客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时，客户端发起断开连接的请求：
1) 客户端调用 close() 函数后，向服务器发送 FIN 数据包，进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写，表示完成任务需要断开连接。

2) 服务器收到数据包后，检测到设置了 FIN 标志位，知道要断开连接，于是向客户端发送“确认包”，进入CLOSE_WAIT状态。

注意：服务器收到请求后并不是立即断开连接，而是先向客户端发送“确认包”，告诉它我知道了，我需要准备一下才能断开连接。

3) 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器准备完毕后再次发送数据包。

4) 等待片刻后，服务器准备完毕，可以断开连接，于是再主动向客户端发送 FIN 包，告诉它我准备好了，断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。

5) 客户端收到服务器的 FIN 包后，再向服务器发送 ACK 包，告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。

6) 服务器收到客户端的 ACK 包后，就断开连接，关闭套接字，进入CLOSED状态。

关于 TIME_WAIT 状态的说明

客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态，而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接，这是为什么呢？

TCP 是面向连接的传输方式，必须保证数据能够正确到达目标机器，不能丢失或出错，而网络是不稳定的，随时可能会毁坏数据，所以机器A每次向机器B发送数据包后，都要求机器B”确认“，回传ACK包，告诉机器A我收到了，这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包，机器A会重新发送，直到机器B回传ACK包。

客户端最后一次向服务器回传ACK包时，有可能会因为网络问题导致服务器收不到，服务器会再次发送 FIN 包，如果这时客户端完全关闭了连接，那么服务器无论如何也收不到ACK包了，所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。那么，要等待多久呢？

数据包在网络中是有生存时间的，超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃，并通知源主机。这称为报文最大生存时间（MSL，Maximum Segment Lifetime）。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间，服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间，2MSL 是数据包往返的最大时间，如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包，就说明服务器已经收到了 ACK 包。

 

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