Linux应用软件编程｜TCP协议与Socket全套编程（三次握手、四次挥手、报文头部、核心机制）

一、TCP协议基础特点

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议

面向连接：通信之前必须建立连接，通信结束要断开连接；
面向字节流：把数据当成一串字节流，没有报文边界；
可靠传输：通过三次握手、应答确认、超时重传、滑动窗口等机制，保证数据无丢失、无重复、按序到达；
协议机制复杂，相比UDP开销更大，实时性弱于UDP。

适用场景：网页、文件传输、MQTT；不适合直播、游戏这类追求低延迟可容忍少量丢包场景。

二、TCP三次握手（建立连接）

客户端主动发起连接，三次握手目的：同步双方初始序列号，确认双方收发能力正常。

第一次握手：客户端发送SYN报文，携带客户端初始序列号seq=x，客户端进入SYN_SENT状态。

SYN标志位=1，表示请求建立连接。

第二次握手：服务端收到SYN，回复SYN+ACK报文；ACK确认号ack=x+1，同时携带服务端自己的初始序列号seq=y；服务端进入SYN_RCVD状态。
第三次握手：客户端收到SYN+ACK，回复ACK确认报文，确认号ack=y+1。客户端、服务端都进入ESTABLISHED（连接建立完成状态），之后就可以收发业务数据。

思考：为什么不能两次握手？

防止网络中滞留的旧无效连接报文到达服务器，服务器单方面建立无效连接，浪费服务器资源。

三、TCP四次挥手（断开连接）

TCP连接是全双工，两边可以独立关闭自己发送方向，因此断开需要四次。主动关闭方一般是客户端。

第一次挥手：客户端发送FIN报文，表示客户端不再发送数据，进入FIN_WAIT_1。

FIN标志位=1，代表请求关闭连接。

第二次挥手：服务端回复ACK确认FIN报文，客户端收到ACK进入FIN_WAIT_2。此时客户端不再发数据，但是服务端仍然可以继续向客户端发送剩余数据。
第三次挥手：当服务端业务数据全部发送完毕，服务端发送FIN报文，服务端进入LAST_ACK。
第四次挥手：客户端回复ACK确认FIN报文；客户端进入TIME_WAIT（等待2MSL）；服务端收到ACK直接进入CLOSED；客户端等待2MSL时间过后，也进入CLOSED，连接彻底释放。

TIMEWAIT作用：

保证对方可以收到自己最后的ACK报文；
等待网络中该连接残留的旧数据包全部过期消失，避免干扰下一次新连接。

四、TCP报文头部解析

TCP头部固定20字节，可扩展选项最多60字节。

|----------------|---------------------------------|
| 字段 | 说明 |
| 源端口 (2 字节) | 发送方进程端口 |
| 目的端口 (2 字节) | 接收方进程端口 |
| 序列号 seq (4 字节) | 本报文段第一个字节数据编号 |
| 确认号 ack (4 字节) | 期望收到下一字节的编号；ack = 上一次收到最后字节 + 1 |
| 数据偏移 (4bit) | TCP 头部长度，单位 4 字节 |
| 保留位 (6bit) | 保留，默认 0 |
| 6 个标志位 | URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN |
| 窗口大小 (2 字节) | 流量控制，接收缓冲区剩余容量 |
| 校验和 (2 字节) | 校验报文完整性 |
| 紧急指针 (2 字节) | URG 有效时，标记紧急数据偏移 |
| 选项 | MSS、窗口扩大、时间戳等，可选 |

六大标志位含义

SYN：请求建立连接，三次握手使用；
ACK：确认报文，绝大多数数据包ACK=1；
PSH：推送，接收方应立刻把数据交给应用层，不要缓存；
FIN：请求关闭连接，四次挥手使用；
RST：重置连接，异常断开连接；
URG：紧急标志，代表存在紧急数据。

五、TCP可靠性核心机制

1. 应答确认机制

每发送一段数据，接收方返回ACK确认号，告诉发送方：我已经收到到几号字节，下一次我期望收到几号。支持累计确认，可以一次确认多段数据。

2. 超时重传机制

发送数据同时开启计时器；如果超时还没有收到ACK应答，就自动重传该段报文，保证数据不会丢失。超时时间会动态调整。

3. 滑动窗口（流量控制）

流量控制：防止发送方发送太快，把接收方缓冲区打满。

接收方在TCP头部窗口字段告诉发送方自己还能接收多少字节；发送方严格遵守这个窗口大小发送数据。窗口不断"滑动"，实现流水线传输，不用发一段等一段ACK，极大提高传输效率。

发送窗口实际大小 = min(接收方通告窗口，拥塞窗口)

4. 捎带应答机制

ACK确认报文不需要单独发；如果本端刚好有业务数据要发给对方，就把ACK确认"搭载"在业务数据包头部一起发送，减少报文数量。

5. 拥塞控制

防止发送方发送太快，把中间网络链路压垮。包含：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复算法。

六、TCP Socket全套编程API

TCP客户端、服务端完整流程

TCP服务端流程

socket() → bind()绑定IP端口 → listen()开启监听 → accept()阻塞等待客户端连接 → recv()/send()收发数据 → close()关闭套接字

TCP客户端流程

socket() → connect()发起连接（触发三次握手） → send()/recv()收发数据 → close()关闭套接字（触发四次挥手）

重点区分：listen返回监听套接字；accept返回通信套接字，真正用来和客户端收发数据。监听套接字只负责接收新连接，不能收发业务数据。

1.socket 创建套接字

include <sys/socket.h

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：AF_INET IPv4
type：SOCK_STREAM 代表TCP流式套接字
protocol：0

返回：成功返回套接字fd，失败1。

2.bind 绑定IP与端口（服务端必须调用）

int bind(int sockfd, const struct sockaddr addr, socklen_t addrlen);

把套接字和本机IP地址、端口绑定；客户端一般不需要bind，操作系统自动分配临时端口。

INADDR_ANY：监听本机所有网卡IP。

3.listen() 开启监听

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd：socket返回监听套接字
backlog：未完成+已完成三次握手的连接队列最大数目。

返回值：成功0，失败1。

listen之后套接字从主动套接字变为被动监听套接字，等待客户端连接。

4.accept() 接收客户端连接

int accept(int sockfd, struct sockaddr addr, socklen_t addrlen);

功能：阻塞等待，等待完成三次握手的客户端连接到来。

sockfd：监听套接字
addr：输出参数，保存客户端IP端口信息，可以填NULL不关心客户端地址。
addrlen：地址长度，输入输出参数。

返回值：成功返回全新的通信套接字connfd；后续读写数据全部使用connfd；失败1。

注意：监听套接字继续存在，可以继续接收下一个客户端。

5.connect() 客户端发起连接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr addr, socklen_t addrlen);

客户端调用，向服务端IP端口发起TCP连接，底层触发三次握手。

addr：存放服务端IP端口信息。

返回值：成功0；失败1。

6.send()发送数据

ssize_t send(int sockfd, const void buf, size_t len, int flags);

sockfd：通信套接字；flags一般写0。

返回：成功返回实际发送字节数；失败1。

send返回成功只是数据拷贝进入内核发送缓冲区，不等于数据已经到达对方主机。

7.recv()接收数据

ssize_t recv(int sockfd, void buf, size_t len, int flags);

sockfd：通信套接字；flags=0。

返回值：

0：实际读到的字节；
返回0：对方已经正常关闭连接（对端执行close，四次挥手完成）；
1：出错。

recv返回0是TCP非常重要判断条件，代表对方已经断开。

8.close()关闭套接字

int close(int fd);

关闭套接字文件描述符，会触发TCP四次挥手断开连接，释放资源。

七、UDP与TCP核心对比表

|-------------|------------------------|----------------------------------------|
| 对比项 | UDP | TCP |
| 连接 | 无连接 | 面向连接（三次握手建立，四次挥手释放） |
| 传输对象 | 面向数据报，保留报文边界 | 面向字节流，无报文边界 |
| 可靠性 | 不可靠，可能丢包乱序 | 可靠传输，确认、重传、流量拥塞控制 |
| 开销 | 小，头部 8 字节 | 大，头部最少 20 字节 |
| 实时性 | 高，适合直播游戏 | 较低，可靠性优先 |
| 典型 API | socket sendto recvfrom | socket connect listen accept send recv |
| 典型应用 | DNS、直播、音视频 | HTTP、HTTPS、FTP、MQTT |

八、补充：Wireshark抓包工具

Wireshark是网络抓包分析工具，可以抓取网卡数据包，观察SYN、ACK、FIN报文，分析三次握手四次挥手。

Linux安装命令：

bash

sudo aptget install wireshark

sudo wireshark

常用过滤条件示例：

tcp.port == 8080 抓取8080端口tcp包

udp.port == 5000

小结

TCP面向连接、可靠、字节流；UDP无连接不可靠面向数据报。
三次握手建立连接：SYN → SYN+ACK → ACK；同步序列号，确认双方收发能力。
四次挥手断开连接：FINACKFINACK；TIMEWAIT等待2MSL。
TCP头部6大标志位SYN/ACK/FIN/PSH/RST/URG要理解含义。
TCP可靠机制：确认应答、超时重传、滑动窗口流量控制、捎带应答、拥塞控制。
API重点：服务端socketbindlistenacceptrecv/sendclose；客户端socketconnectrecv/sendclose；accept返回通信套接字，listen套接字只管接收新连接；recv返回0代表对方正常关闭连接。