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TCP連接與斷開詳解（socket通信）

本文轉載自   查看原文   2020-10-08 17:20   670    網絡協議筆記

轉載來源：https://www.cnblogs.com/felixzh/p/8359066.html

一、TCP數據報結構以及三次握手

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基於字節流的通信協議，數據在傳輸前要建立連接，傳輸完畢后還要斷開連接。

客戶端在收發數據前要使用 connect() 函數和服務器建立連接。建立連接的目的是保證IP地址、端口、物理鏈路等正確無誤，為數據的傳輸開辟通道。

TCP建立連接時要傳輸三個數據包，俗稱三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻為下面的對話：

  • [Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我這里有數據要傳送給你，建立連接吧。”
  • [Shake 2] 套接字B：“好的，我這邊已准備就緒。”
  • [Shake 3] 套接字A：“謝謝你受理我的請求。”

TCP數據報結構

我們先來看一下TCP數據報的結構：


帶陰影的幾個字段需要重點說明一下：
1) 序號：Seq（Sequence Number）序號占32位，用來標識從計算機A發送到計算機B的數據包的序號，計算機發送數據時對此進行標記。

2) 確認號：Ack（Acknowledge Number）確認號占32位，客戶端和服務器端都可以發送，Ack = Seq + 1。

3) 標志位：每個標志位占用1Bit，共有6個，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：

URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

ACK：確認序號有效。

PSH：接收方應該盡快將這個報文交給應用層。

RST：重置連接。

SYN：建立一個新連接。

FIN：斷開一個連接。

對英文字母縮寫的總結：Seq 是 Sequence 的縮寫，表示序列；Ack(ACK) 是 Acknowledge 的縮寫，表示確認；SYN 是 Synchronous 的縮寫，願意是“同步的”，這里表示建立同步連接；FIN 是 Finish 的縮寫，表示完成。

連接的建立（三次握手）

使用 connect() 建立連接時，客戶端和服務器端會相互發送三個數據包，請看下圖：


客戶端調用 socket() 函數創建套接字后，因為沒有建立連接，所以套接字處於CLOSED狀態；服務器端調用 listen() 函數后，套接字進入LISTEN狀態，開始監聽客戶端請求。

這個時候，客戶端開始發起請求：
1) 當客戶端調用 connect() 函數后，TCP協議會組建一個數據包，並設置 SYN 標志位，表示該數據包是用來建立同步連接的。同時生成一個隨機數字 1000，填充“序號（Seq）”字段，表示該數據包的序號。完成這些工作，開始向服務器端發送數據包，客戶端就進入了SYN-SEND狀態。

2) 服務器端收到數據包，檢測到已經設置了 SYN 標志位，就知道這是客戶端發來的建立連接的“請求包”。服務器端也會組建一個數據包，並設置 SYN 和 ACK 標志位，SYN 表示該數據包用來建立連接，ACK 用來確認收到了剛才客戶端發送的數據包。

服務器生成一個隨機數 2000，填充“序號（Seq）”字段。2000 和客戶端數據包沒有關系。

服務器將客戶端數據包序號（1000）加1，得到1001，並用這個數字填充“確認號（Ack）”字段。

服務器將數據包發出，進入SYN-RECV狀態。

3) 客戶端收到數據包，檢測到已經設置了 SYN 和 ACK 標志位，就知道這是服務器發來的“確認包”。客戶端會檢測“確認號（Ack）”字段，看它的值是否為 1000+1，如果是就說明連接建立成功。

接下來，客戶端會繼續組建數據包，並設置 ACK 標志位，表示客戶端正確接收了服務器發來的“確認包”。同時，將剛才服務器發來的數據包序號（2000）加1，得到 2001，並用這個數字來填充“確認號（Ack）”字段。

客戶端將數據包發出，進入ESTABLISED狀態，表示連接已經成功建立。

4) 服務器端收到數據包，檢測到已經設置了 ACK 標志位，就知道這是客戶端發來的“確認包”。服務器會檢測“確認號（Ack）”字段，看它的值是否為 2000+1，如果是就說明連接建立成功，服務器進入ESTABLISED狀態。

至此，客戶端和服務器都進入了ESTABLISED狀態，連接建立成功，接下來就可以收發數據了。

最后的說明

三次握手的關鍵是要確認對方收到了自己的數據包，這個目標就是通過“確認號（Ack）”字段實現的。計算機會記錄下自己發送的數據包序號 Seq，待收到對方的數據包后，檢測“確認號（Ack）”字段，看Ack = Seq + 1是否成立，如果成立說明對方正確收到了自己的數據包。

二、TCP數據的傳輸過程

建立連接后，兩台主機就可以相互傳輸數據了。如下圖所示：

圖1：TCP 套接字的數據交換過程


上圖給出了主機A分2次（分2個數據包）向主機B傳遞200字節的過程。首先，主機A通過1個數據包發送100個字節的數據，數據包的 Seq 號設置為 1200。主機B為了確認這一點，向主機A發送 ACK 包，並將 Ack 號設置為 1301。

為了保證數據准確到達，目標機器在收到數據包（包括SYN包、FIN包、普通數據包等）包后必須立即回傳ACK包，這樣發送方才能確認數據傳輸成功。

此時 Ack 號為 1301 而不是 1201，原因在於 Ack 號的增量為傳輸的數據字節數。假設每次 Ack 號不加傳輸的字節數，這樣雖然可以確認數據包的傳輸，但無法明確100字節全部正確傳遞還是丟失了一部分，比如只傳遞了80字節。因此按如下的公式確認 Ack 號：

Ack號 = Seq號 + 傳遞的字節數 + 1

與三次握手協議相同，最后加 1 是為了告訴對方要傳遞的 Seq 號。

下面分析傳輸過程中數據包丟失的情況，如下圖所示：


圖2：TCP套接字數據傳輸過程中發生錯誤


上圖表示通過 Seq 1301 數據包向主機B傳遞100字節的數據，但中間發生了錯誤，主機B未收到。經過一段時間后，主機A仍未收到對於 Seq 1301 的ACK確認，因此嘗試重傳數據。

為了完成數據包的重傳，TCP套接字每次發送數據包時都會啟動定時器，如果在一定時間內沒有收到目標機器傳回的 ACK 包，那么定時器超時，數據包會重傳。

上圖演示的是數據包丟失的情況，也會有 ACK 包丟失的情況，一樣會重傳。

重傳超時時間（RTO, Retransmission Time Out）

這個值太大了會導致不必要的等待，太小會導致不必要的重傳，理論上最好是網絡 RTT 時間，但又受制於網絡距離與瞬態時延變化，所以實際上使用自適應的動態算法（例如 Jacobson 算法和 Karn 算法等）來確定超時時間。

往返時間（RTT，Round-Trip Time）表示從發送端發送數據開始，到發送端收到來自接收端的 ACK 確認包（接收端收到數據后便立即確認），總共經歷的時延。

重傳次數

TCP數據包重傳次數根據系統設置的不同而有所區別。有些系統，一個數據包只會被重傳3次，如果重傳3次后還未收到該數據包的 ACK 確認，就不再嘗試重傳。但有些要求很高的業務系統，會不斷地重傳丟失的數據包，以盡最大可能保證業務數據的正常交互。

三、TCP四次握手斷開連接
建立連接非常重要，它是數據正確傳輸的前提；斷開連接同樣重要，它讓計算機釋放不再使用的資源。如果連接不能正常斷開，不僅會造成數據傳輸錯誤，還會導致套接字不能關閉，持續占用資源，如果並發量高，服務器壓力堪憂。

建立連接需要三次握手，斷開連接需要四次握手，可以形象的比喻為下面的對話：
  • [Shake 1] 套接字A：“任務處理完畢，我希望斷開連接。”
  • [Shake 2] 套接字B：“哦，是嗎？請稍等，我准備一下。”
  • 等待片刻后……
  • [Shake 3] 套接字B：“我准備好了，可以斷開連接了。”
  • [Shake 4] 套接字A：“好的，謝謝合作。”


下圖演示了客戶端主動斷開連接的場景：


建立連接后，客戶端和服務器都處於ESTABLISED狀態。這時，客戶端發起斷開連接的請求：
1) 客戶端調用 close() 函數后，向服務器發送 FIN 數據包，進入FIN_WAIT_1狀態。FIN 是 Finish 的縮寫，表示完成任務需要斷開連接。

2) 服務器收到數據包后，檢測到設置了 FIN 標志位，知道要斷開連接，於是向客戶端發送“確認包”，進入CLOSE_WAIT狀態。

注意：服務器收到請求后並不是立即斷開連接，而是先向客戶端發送“確認包”，告訴它我知道了，我需要准備一下才能斷開連接。

3) 客戶端收到“確認包”后進入FIN_WAIT_2狀態，等待服務器准備完畢后再次發送數據包。

4) 等待片刻后，服務器准備完畢，可以斷開連接，於是再主動向客戶端發送 FIN 包，告訴它我准備好了，斷開連接吧。然后進入LAST_ACK狀態。

5) 客戶端收到服務器的 FIN 包后，再向服務器發送 ACK 包，告訴它你斷開連接吧。然后進入TIME_WAIT狀態。

6) 服務器收到客戶端的 ACK 包后，就斷開連接，關閉套接字，進入CLOSED狀態。

關於 TIME_WAIT 狀態的說明

客戶端最后一次發送 ACK包后進入 TIME_WAIT 狀態，而不是直接進入 CLOSED 狀態關閉連接，這是為什么呢？

TCP 是面向連接的傳輸方式，必須保證數據能夠正確到達目標機器，不能丟失或出錯，而網絡是不穩定的，隨時可能會毀壞數據，所以機器A每次向機器B發送數據包后，都要求機器B”確認“，回傳ACK包，告訴機器A我收到了，這樣機器A才能知道數據傳送成功了。如果機器B沒有回傳ACK包，機器A會重新發送，直到機器B回傳ACK包。

客戶端最后一次向服務器回傳ACK包時，有可能會因為網絡問題導致服務器收不到，服務器會再次發送 FIN 包，如果這時客戶端完全關閉了連接，那么服務器無論如何也收不到ACK包了，所以客戶端需要等待片刻、確認對方收到ACK包后才能進入CLOSED狀態。那么，要等待多久呢？

數據包在網絡中是有生存時間的，超過這個時間還未到達目標主機就會被丟棄，並通知源主機。這稱為報文最大生存時間（MSL，Maximum Segment Lifetime）。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才會進入 CLOSED 狀態。ACK 包到達服務器需要 MSL 時間，服務器重傳 FIN 包也需要 MSL 時間，2MSL 是數據包往返的最大時間，如果 2MSL 后還未收到服務器重傳的 FIN 包，就說明服務器已經收到了 ACK 包。

 
四、優雅的斷開連接--shutdown()
調用 close()/closesocket() 函數意味着完全斷開連接，即不能發送數據也不能接收數據，這種“生硬”的方式有時候會顯得不太“優雅”。

圖1：close()/closesocket() 斷開連接


上圖演示了兩台正在進行雙向通信的主機。主機A發送完數據后，單方面調用 close()/closesocket() 斷開連接，之后主機A、B都不能再接受對方傳輸的數據。實際上，是完全無法調用與數據收發有關的函數。
一般情況下這不會有問題，但有些特殊時刻，需要只斷開一條數據傳輸通道，而保留另一條。
使用 shutdown() 函數可以達到這個目的，它的原型為：

[cpp]  view plain  copy
 
  1. int shutdown(int sock, int howto);  //Linux  
  2. int shutdown(SOCKET s, int howto);  //Windows  

sock 為需要斷開的套接字，howto 為斷開方式。

howto 在 Linux 下有以下取值：

  • SHUT_RD：斷開輸入流。套接字無法接收數據（即使輸入緩沖區收到數據也被抹去），無法調用輸入相關函數。
  • SHUT_WR：斷開輸出流。套接字無法發送數據，但如果輸出緩沖區中還有未傳輸的數據，則將傳遞到目標主機。
  • SHUT_RDWR：同時斷開 I/O 流。相當於分兩次調用 shutdown()，其中一次以 SHUT_RD 為參數，另一次以 SHUT_WR 為參數。


howto 在 Windows 下有以下取值：

  • SD_RECEIVE：關閉接收操作，也就是斷開輸入流。
  • SD_SEND：關閉發送操作，也就是斷開輸出流。
  • SD_BOTH：同時關閉接收和發送操作。


至於什么時候需要調用 shutdown() 函數，下節我們會以文件傳輸為例進行講解。

close()/closesocket()和shutdown()的區別

確切地說，close() / closesocket() 用來關閉套接字，將套接字描述符（或句柄）從內存清除，之后再也不能使用該套接字，與C語言中的 fclose() 類似。應用程序關閉套接字后，與該套接字相關的連接和緩存也失去了意義，TCP協議會自動觸發關閉連接的操作。
shutdown() 用來關閉連接，而不是套接字，不管調用多少次 shutdown()，套接字依然存在，直到調用 close() / closesocket() 將套接字從內存清除。
調用 close()/closesocket() 關閉套接字時，或調用 shutdown() 關閉輸出流時，都會向對方發送 FIN 包。FIN 包表示數據傳輸完畢，計算機收到 FIN 包就知道不會再有數據傳送過來了。
默認情況下，close()/closesocket() 會立即向網絡中發送FIN包，不管輸出緩沖區中是否還有數據，而shutdown() 會等輸出緩沖區中的數據傳輸完畢再發送FIN包。也就意味着，調用 close()/closesocket() 將丟失輸出緩沖區中的數據，而調用 shutdown() 不會。

五、socket文件傳輸功能的實現
我們來完成 socket 文件傳輸程序，這是一個非常實用的例子。要實現的功能為：client 從 server 下載一個文件並保存到本地。
編寫這個程序需要注意兩個問題：
1) 文件大小不確定，有可能比緩沖區大很多，調用一次 write()/send() 函數不能完成文件內容的發送。接收數據時也會遇到同樣的情況。
要解決這個問題，可以使用 while 循環，例如：
[cpp]  view plain  copy
 
  1. //Server 代碼  
  2. int nCount;  
  3. while( (nCount = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, fp)) > 0 ){  
  4.     send(sock, buffer, nCount, 0);  
  5. }  
  6. //Client 代碼  
  7. int nCount;  
  8. while( (nCount = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0 ){  
  9.     fwrite(buffer, nCount, 1, fp);  
  10. }  

對於 Server 端的代碼，當讀取到文件末尾，fread() 會返回 0，結束循環。

對於 Client 端代碼，有一個關鍵的問題，就是文件傳輸完畢后讓 recv() 返回 0，結束 while 循環。

注意：讀取完緩沖區中的數據 recv() 並不會返回 0，而是被阻塞，直到緩沖區中再次有數據。
  1. Client 端如何判斷文件接收完畢，也就是上面提到的問題——何時結束 while 循環。
    最簡單的結束 while 循環的方法當然是文件接收完畢后讓 recv() 函數返回 0，那么，如何讓 recv() 返回 0 呢？recv() 返回 0 的唯一時機就是收到FIN包時。
    FIN 包表示數據傳輸完畢，計算機收到 FIN 包后就知道對方不會再向自己傳輸數據，當調用 read()/recv() 函數時，如果緩沖區中沒有數據，就會返回 0，表示讀到了”socket文件的末尾“。
    這里我們調用 shutdown() 來發送FIN包：server 端直接調用 close()/closesocket() 會使輸出緩沖區中的數據失效，文件內容很有可能沒有傳輸完畢連接就斷開了，而調用 shutdown() 會等待輸出緩沖區中的數據傳輸完畢。
    本節以Windows為例演示文件傳輸功能，Linux與此類似，不再贅述。請看下面完整的代碼。
    服務器端 server.cpp：
[cpp]  view plain  copy
 
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <winsock2.h>  
  4. #pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加載 ws2_32.dll  
  5.   
  6. #define BUF_SIZE 1024  
  7.   
  8. int main(){  
  9.     //先檢查文件是否存在  
  10.     char *filename = "D:\\send.avi";  //文件名  
  11.     FILE *fp = fopen(filename, "rb");  //以二進制方式打開文件  
  12.     if(fp == NULL){  
  13.         printf("Cannot open file, press any key to exit!\n");  
  14.         system("pause");  
  15.         exit(0);  
  16.     }  
  17.   
  18.     WSADATA wsaData;  
  19.     WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);  
  20.     SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
  21.   
  22.     sockaddr_in sockAddr;  
  23.     memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  
  24.     sockAddr.sin_family = PF_INET;  
  25.     sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
  26.     sockAddr.sin_port = htons(1234);  
  27.     bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  
  28.     listen(servSock, 20);  
  29.   
  30.     SOCKADDR clntAddr;  
  31.     int nSize = sizeof(SOCKADDR);  
  32.     SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);  
  33.   
  34.     //循環發送數據，直到文件結尾  
  35.     char buffer[BUF_SIZE] = {0};  //緩沖區  
  36.     int nCount;  
  37.     while( (nCount = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, fp)) > 0 ){  
  38.         send(clntSock, buffer, nCount, 0);  
  39.     }  
  40.   
  41.     shutdown(clntSock, SD_SEND);  //文件讀取完畢，斷開輸出流，向客戶端發送FIN包  
  42.     recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //阻塞，等待客戶端接收完畢  
  43.   
  44.     fclose(fp);  
  45.     closesocket(clntSock);  
  46.     closesocket(servSock);  
  47.     WSACleanup();  
  48.   
  49.     system("pause");  
  50.     return 0;  
  51. }  


客戶端代碼：

[cpp]  view plain  copy
 
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <WinSock2.h>  
  4. #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  
  5.   
  6. #define BUF_SIZE 1024  
  7.   
  8. int main(){  
  9.     //先輸入文件名，看文件是否能創建成功  
  10.     char filename[100] = {0};  //文件名  
  11.     printf("Input filename to save: ");  
  12.     gets(filename);  
  13.     FILE *fp = fopen(filename, "wb");  //以二進制方式打開（創建）文件  
  14.     if(fp == NULL){  
  15.         printf("Cannot open file, press any key to exit!\n");  
  16.         system("pause");  
  17.         exit(0);  
  18.     }  
  19.   
  20.     WSADATA wsaData;  
  21.     WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);  
  22.     SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  
  23.   
  24.     sockaddr_in sockAddr;  
  25.     memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  
  26.     sockAddr.sin_family = PF_INET;  
  27.     sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
  28.     sockAddr.sin_port = htons(1234);  
  29.     connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  
  30.   
  31.     //循環接收數據，直到文件傳輸完畢  
  32.     char buffer[BUF_SIZE] = {0};  //文件緩沖區  
  33.     int nCount;  
  34.     while( (nCount = recv(sock, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0 ){  
  35.         fwrite(buffer, nCount, 1, fp);  
  36.     }  
  37.     puts("File transfer success!");  
  38.   
  39.     //文件接收完畢后直接關閉套接字，無需調用shutdown()  
  40.     fclose(fp);  
  41.     closesocket(sock);  
  42.     WSACleanup();  
  43.     system("pause");  
  44.     return 0;  
  45. }  

在D盤中准備好send.avi文件，先運行 server，再運行 client：
Input filename to save: D:\recv.avi↙
//稍等片刻后
File transfer success!
打開D盤就可以看到 recv.avi，大小和 send.avi 相同，可以正常播放。
注意 server.cpp 第42行代碼，recv() 並沒有接收到 client 端的數據，當 client 端調用 closesocket() 后，server 端會收到FIN包，recv() 就會返回，后面的代碼繼續執行。


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