TCP/UDP通信

1、TCP/IP四层模型

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/网际协议)是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议,而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇, 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性,所以被称为TCP/IP协议。

TCP/IP体系中为4层模型:

  • 应用层
  • 传输层
  • 网络层
  • 网络接口层(物理层+数据链路层)

2、MAC地址、 IP地址、端口号

MAC地址:物理层里网卡的地址,设备的唯一标识,不可变。
IP地址:在网络层引入的地址,用于区分不同计算机是否属于同一子网络下。
端口号:传输层引入的概念,有了mac+ip地址,可以确定具体网络下的某一设备,但需要确定交换的数据交给哪个程序应用(进程)处理,是QQ还是微信,于是就需要端口号。
网络层建立了主机到主机的通信,传输层建立了端到端(口)的通信。

TCP、UDP

TCP:三次握手,传输确认,四次挥手
三次握手:客户端发送SYN(synchronous)数据包,服务器收到并发送SYN+ACK(acknowledgement),客户端收到并发送ACK包,连接建立。
为什么不是两次握手:这是为了防止已失效的请求报文突然又传到服务器,引起错误。假设两次握手建立连接,客户端发送SYN1包,由于网络原因,没能到达服务端,于是客户端发送SYN2包,服务端成功收到并发送SYN2+ACK建立起了连接,但此时刚开始阻塞的SYN1包恢复正常发送到服务端,服务端收到并发送SYN2+ACK,此时服务端会认为客户端发起了新的连接,从而在两次握手后进入了等待数据状态。服务端认为是两个连接,客户端认为是一个连接,造成了状态不一致。如果是在3次握手的情况下,服务端收不到最后的ACK包,那么自然认为未建立连接。所以3次握手本质是为了解决信道不靠谱的问题。

建立连接后,客户、服务端都进入了数据传输状态。一包数据有可能被拆成多包发送,这些数据包到达的先后顺序不同,针对丢包问题乱序问题

TCP协议为每一个连接建立了一个发送缓冲区,从建立连接后的第一个字节的序列号为0,后面每个字节的序列号+1.

发送数据时,取其中一部分组成发送报文,发送报文组成为:起始序列号:数据长度:数据内容。

收到回复确认后的ACK,如图所示,继续发送下一包数据。

这样一问一答的方式,能够使发送端发送的数据确认被接收方收到,发送端也可以一次性发送多包的数据

该过程不分客户端和服务端,TCP连接是全双工的。
四次挥手:处于连接状态的服务端和客户端。都可以发起关闭连接请求。

假设客户端主动发起关闭连接请求,他先发送一个FIN(finish)包,表示要关闭连接,自己进入终止等待1状态(FIN-WAIT-1),这是第一次挥手;服务端发送一ACK包,表示自己进入了关闭等待状态,客户端进入终止等待2状态,这是第二次挥手;服务端此时还可以发送未发送的数据,客户端还可以接收数据,待服务端发送完数据后,发送一个FIN包,进入最终确认状态,这是第三次挥手;客户端收到发送ACK包,进入超时等待状态(TIME-WAIT),经过一段超时时间后关闭连接,这是第四次挥手,而服务端收到ACK包后立即关闭连接。
为什么客户端需要等待超时时间这是为了保持对方收到ACK包,因为不等待超时时间,假设ACK包丢失,服务端将一直停留在最终确认状态。而有了超时时间,服务端长时间没有收到ACK包,将重发FIN包,此时客户端会相应这个FIN包重新发送ACK包并刷新超时时间,这和三次握手一样,也是为了在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开。

UDP协议是基于非连接的,发送数据只是把数据包封装一下就发送出去,数据包之间没有状态上的联系,因此性能损耗非常少,CPU资源占用也远小于TCP,但对于数据丢包不能保证,适用于实时性要求高,对少量丢包无太大要求的场景。

Socket

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,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面。

网络中的进程是通过socket来通信的,那什么是socket呢?socket起源于Unix,而Unix/Linux基本哲学之一就是"一切皆文件",都可以用"打开open --> 读写write/read --> 关闭close"模式来操作。Socket就是该模式的一个实现,socket即是一种特殊的文件,一些socket函数就是对其进行的操作(读/写IO、打开、关闭)

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。

c 复制代码
//domain 协议域,决定了socket的地址类型
//type socket类型,常见的SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET等
//#protocol 协议,如IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP等
int socket(int domain, int type, int protocol);

//sockfd socket描述字,通过socket()函数创建的
//addr指向要绑定给sockfd的协议地址
//addrlen 对应的是地址的长度 
//通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号)
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

//sockfd 要监听的socket描述字
//backlog 相应socket可以排队的最大连接个数
int listen(int sockfd, int backlog);

//sockfd 客户端的socket描述字
//addr 服务器的socket地址
//addrlen socket地址的长度
//客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

//sockfd 服务器的socket描述字
//addr 客户端的协议地址
//addrlen 协议地址的长度
//如果accpet成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表与返回客户的TCP连接
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

//此时已经建立连接,接着就是通信了 读写Socket
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
            	 const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
               	struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
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