《Unity3D网络游戏实战》深入了解TCP

从TCP到铜线

应用层

应用层功能是应用程序（游戏程序）提供的功能。在给客户端发送"hello"的例子中，程序把"hello"转化成二进制流传递给传输层（传送给send方）。操作系统会对二进制数据做一系列加工，使它适合于网络传输。

传输层

收到二进制数据后，传输层协议会对它做一系列加工，并提供数据流传送、可靠性校验、流量控制等功能。

网络层

IP协议会给TCP数据添加本地地址、目的地地址等信息

数据传输流程

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，与TCP相对应的UDP协议是无连接的、不可靠的协议，但传输效率比TCP高。

TCP连接的建立

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP窗口的大小信息。

连接方调用Connect后，Client（连接方）向Server（监听方）发送一个数据包SYN , SYN包含了序列号seq，这是以后传送数据时要使用的。Server收到数据包后由标志位SYN知道Client请求建立连接，Server将SYN/ACK数据包发送给Client以确认连接请求。Clients收到SYN/ACK数据包后Connect返回，连接成功

TCP的数据传输

发送一个数据后，发送方并不能确保数据被对方接收。于是发送方会等待接收方的回应，如果太长时间没有收到回应，发送方会重新发送数据。发送数据时，TCP会考虑对方缓冲区的容量，当对方缓冲区满时，会暂停发送数据，防止对端溢出。TCP还会根据数据返回的时间判断网络是否拥堵，如果网络拥堵就减慢发送的速度，以求"道路畅通"。

TCP连接终止

TCP通过"四次挥手"确保双端释放socket资源

第一次挥手：主机1（可以是客户端也可以是服务端）向主机2发送一个终止信号（FIN），此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态，它没有需要发送的数据，等待着主机2的回应。
第二次挥手：主机2收到了主机1发送的终止信号（FIN），向主机1回应一个ACK。收到ACK的主机1进入FIN_WAIT_2状态。
第三次挥手：在主机2把所有数据发送完毕后，主机2向主机1发送终止信号（FIN），请求关闭连接。
第四次挥手：主机1收到主机2发送的终止信号（FIN），向主机2回应ACK。然后主机1进入TIME_WAIT状态（等待一段时间，以便处理主机2的重发数据）。主机2收到主机1的回应后，关闭连接。至此，TCP的四次挥手便完成了，主机1和主机2都关闭了连接

常用TCP参数

ReceiveBufferSize

ReceiveBufferSize指定了操作系统读缓冲区的大小，默认值是8192，可以通过 socket. ReceiveBufferSize = 8 这样来指定缓冲区的长度

SendBufferSize

SendBufferSize指定了操作系统写缓冲区的大小，默认值也是8192

NoDelay

指定发送数据时是否使用Nagle算法，对于实时性要求高的游戏，该值需要设置成false。Nagle是一种节省网络流量的机制，默认情况下，TCP会使用Nagle算法去发送数据。

TTL

TTL指发送的IP数据包的生存时间值（Time To Live, TTL ）。TTL是IP头部的一个值，该值表示一个IP数据报能够经过的最大的路由器跳数。发送数据时，TTL默认为64

在网络游戏中，如果某些偏远地区用户时不时无法接收数据，可以尝试增大TTL值（socket.ttl=xxx）来解决问题。

ReuseAddress

ReuseAddress即端口复用，让同一个端口可被多个socket使用。一般情况下，一个端口只能由一个进程独占，假设服务端程序都绑定了1234端口，若开启两个服务端程序，虽然，第一个开启的程序能够成功绑定端口并监听，但第二个程序会提示"端口已经在使用中"，无法绑定端口。

当服务端程序崩溃，但它持有的Socket不会被立马释放，这时候重启服务器就会遇到"端口已经在使用中"的情形。等到Socket被释放后（这个过程可能要十几分钟时间），服务端才能成功重启。

设置端口复用使用socket的SetSocketOption方法，代码如下所示。

cs 复制代码

    Socket  socket=  new  Socket(AddressFamily.InterNetwork,  SocketType.Stream,
ProtocolType.Tcp);
    socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket,  SocketOptionName.ReuseAddress,
true);

LingerState

LingerState的功能是设置套接字保持连接的时间

客户端调用Close()关闭Socket连接（客户端或服务端关闭连接都是同样的流程，服务端主动关闭连接同理），这时，客户端会给服务端发送FIN信号（①） ，然后进入等待。当服务端收到FIN信号时，会返回一个长度为0 的数据，然后向客户端回应**信息（②）**。这也是为什么关闭连接时，对端Receive会收到0个数据。如果服务端不做处理，客户端将会持续等待。

服务端中，会使用下面的代码处理客户端主动关闭连接，即在收到长度为0的消息后，调用**clientfd.Close()**关闭连接。

cs 复制代码

    public static void ReceiveCallback(IAsyncResult ar){
        ......
        int count = clientfd.EndReceive(ar);
        //客户端关闭
        if(count == 0){
            clientfd.Close();
            ......
            return;
        }
        ......
    }

服务端在调用Close后，它向客户端发送FIN信号（③） ，然后等待客户端回应。当服务端收到客户端的回应信息时，它会释放socket资源，真正完成关闭连接的流程。对客户端来说，它在收到服务端的FIN（③）信号后，会进入一个称为TIME_WAIT的状态，等待一段时间后（Windows下默认为4分钟），才会释放socket资源，真正完成关闭连接的流程。TIME_WAIT状态的意义在于，如果网络状况不好，服务端迟迟没有收到客户端回应的信号（④），那它会重发FIN信号（③），客户端socket需要维持一段时间，以回应重发的信号，确保对方有很大概率能够收到回应信号（④）。

这种机制可以让服务端在关闭连接前处理尚未完成的事情，例如，假设收到客户端FIN信号时，服务端socket处于图片显示的状态，即发送缓冲区还有尚未发送的数据，那么直接调用Close关闭连接，缓冲区中的数据将被丢弃。这种关闭方式很暴力，因为对端可能还需要这些数据

cs 复制代码

    socket.LingerState = new LingerOption (true, 10);

其中的LingerOption带有两个参数。第一个参数是LingerState.Enabled ，代表是否启用LingerState，只有设置为true才能生效。第二个参数是LingerState.LingerTime ，指定超时时间。如果超时时间大于0（比如10秒），操作系统会尝试发送缓冲区中的数据，但如果网络状况不好，超过10秒还没有发完，它还是会强制关闭连接。如果LingerState.LingerTime设置为0 ，系统会一直等到数据发完才关闭连接，无论等待多长时间。开启LingerOption能够在一定程度上保证发送数据的完整性

心跳机制

TCP有一个连接检测机制，就是如果在指定的时间内没有数据传送，会给对端发送一个信号（通过SetSocketOption的KeepAlive选项开启）。对端如果收到这个信号，回送一个TCP的信号，确认已经收到，这样就知道此连接通畅。如果一段时间没有收到对方的响应，会进行重试，重试几次后，会认为网络不通，关闭socket。

cs 复制代码

    Socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket,  SocketOptionName.KeepAlive,
true)