TCP及Socket

Posted 2023-02-17

参考技术A 计算机网络相关的问题，如果想去了解，前提就是深刻理解网络4/7层模型。

记住并理解，上面每一层。切记，切记，切记。知道一些就可以开始主题，分两个部分TCP和Socket。

TCP是（Tranfer Control Protocol）的简称，在OSI参考模型第四层，也就是端口，到端口的的通信，它是一个可靠的双向连接，一旦建立连接就可以双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。

最常听说的就是三次握手。是的它说的就是TCP建立连接的过程。具体的步骤如下：

第一步：Server监听端口，状态为：Listen 

第二部：Client发送SNY包，请求连接，并将状态改为：SYN_SEND

第三部：Server发送ACK包，和SNY包，同意，并请求连接，状态改为：SYN_RCVD

第四部：Client发送ACK包，Server收到包后，连接建立。双方状态改为：ESTABLISHED

第一步：Client发起FIN包。状态变为：FNI_WAIT_1

第二步：Server发送ACK包。状态变为：CLOSE_WAIT，Client收包后状态变为：FNI_WAIT_2

第三步：Server发送FIN包，状态变为：LAST_ACK。Client收包后状态变为：TIME_WAIT

第四步：Client发送ACK包。双方状态变为：CLOSED 

需要注意的是，Client是在收到Server FIN包后两个最大报文时间（2MSL）后变为CLOSED状态的。双方都可以发起断开请求，上面是已先发起请求的是Client。

如何验证上面讲的这些呢？那就是抓包分析，其实日常的开发中也可以通过抓包来发现问题。在这里我简单贴个图看一下TCP的包，这个工具非常强大感兴趣的朋友可以去深入了解一下。

1.可以在这个过滤，通过协议，通过IP，通过端口都可以。

2.这个就是每个包，例子中的这个是个[SYN，ACK]包，就是建立TCP连接的第二次握手

3.被抓取的包对应的网络层，从上到下分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层。

Socket其实就是TCP协议的实现。也就是说它就是TCP的API，当然其实Socket也支持别的协议如：UDP。既然是API那，上面说的其实就是它的原理。下面说一下它的使用。大概说一下。

1.ServerSocket：是服务端来监听的类。监听方法accept()。

2.客户端：创建Socket对象，设定IP和Port

3.当有新的客户端连接时可以通过ServerSocket类获取Socket。而Socket就是我们的通讯渠道。

4.发送和读取数据分别使用OutputStream和InputStream而这两个类是从Socket获取的。

其实Socket的基本使用就是这么简单，但是在其实项目中这样是无法满足需求的。实际上大多数场景都是需要一对多的提供服务。

使用多线程实现多客户端的通信

实现服务器与多个客户端进行通信， 可以接受多个客户端的请求并进行回复

应用多线程来实现服务器与多客户端之间的通信

1、服务器端创建ServerSocket，循环调用accept()等待客户端连接

2、客户端创建一个Socket并请求和服务器端连接

3、服务器端接受客户端请求，创建socket与该客户建立专线连接

4、建立连接的两个socket在一个单独的线程上对话

5、服务器端继续等待新的连接

Socket 的理解及实例

Socket 的理解及实例
Socket 的理解
TCP/IP
要想理解socket首先得熟悉一下TCP/IP协议族， TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准，
从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中
应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
传输层：TCP，UDP
网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU
每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的

socket
我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。
能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。
socket通信流程
socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的

服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket
服务器为socket绑定ip地址和端口号
服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开
客户端创建socket
客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket
服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端谅解请求
客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息
服务器accept方法返回，连接成功
客户端向socket写入信息
服务器读取信息
客户端关闭
服务器端关闭
三次握手
在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认
第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态
第三次握手：第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手
定睛一看，服务器socket与客户端socket建立连接的部分其实就是大名鼎鼎的三次握手

socket编程API
前面提到socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，简单了解一下socket提供了哪些API供应用程序使用，还是以TCP协议为例，看看Unix下的socket API，其它语言都很类似（PHP甚至名字都几乎一样），这里我就简单解释一下方法作用和参数，具体使用有兴趣同学可以看看博客参考中的链接或者上网搜索
int socket(int domain, int type, int protocol);
根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个socket的描述字及其所用的资源。
domain:协议族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址
type:socket类型，常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
把一个地址族中的特定地址赋给socket
sockfd:socket描述字，也就是socket引用
addr:要绑定给sockfd的协议地址
addrlen: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），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
int listen(int sockfd, int backlog);
监听socket
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 connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
连接某个socket
sockfd:客户端的socket描述字
addr:服务器的socket地址
addrlen:socket地址的长度
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数取接收请求
sockfd:服务器的socket描述字
addr:客户端的socket地址
addrlen:socket地址的长度
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
读取socket内容
fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
向socket写入内容，其实就是发送内容
fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度
int close(int fd);
socket标记为以关闭 ，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。
实例：