TCP通信機制：三次握手、四次揮手、滑動窗口

1. TCP三次握手

TCP是一種面向連接的安全的流式傳輸協(xié)議，TCP報文的格式如下

標(biāo)志位URG、ACK、PSH、PST、SYN、FIN

SYN：請求建立連接

ACK：給對端應(yīng)答

FIN：斷開連接

16位窗口大?。哼@里的窗口實際上就是滑動窗口（將在后面介紹），這個窗口大小只是記錄了存放數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)也就是窗口有多大，而不是實際存放數(shù)據(jù)的地方。

32位序號：在請求建立連接時跟在SYN標(biāo)志位后面的隨機序號。

32位確認(rèn)序號：在應(yīng)答時跟在ACK標(biāo)志位后面的確認(rèn)序號，它的值是對端在建立連接時跟隨在對端發(fā)送的SYN后面的隨機序號的值加上SYN攜帶的數(shù)據(jù)大小再加上1，如果對端SYN未攜帶數(shù)據(jù)，則直接在對端SYN后面隨機序號的基礎(chǔ)上加1。比如客戶端發(fā)起連接并攜帶SYN 100(10)，服務(wù)端收到后會回復(fù)ACK 111，表示連接請求已收到且10個字節(jié)的數(shù)據(jù)也已收到；如果客戶端發(fā)起的連接為SYN 100，不攜帶數(shù)據(jù)，那么服務(wù)端回復(fù)為ACK 101。總之，ACK后面的確認(rèn)序號值為對端SYN隨機序號+攜帶數(shù)據(jù)大小+1。

TCP在建立連接的時候需要進行三次握手（TCP握手時一定有SYN標(biāo)志，不帶SYN標(biāo)志的為建立連接后的正常數(shù)據(jù)傳輸）

第一次握手：第一次握手應(yīng)該由客服端發(fā)起，服務(wù)端被動等待連接。

客戶端：主動發(fā)起連接

攜帶標(biāo)志位SYN

產(chǎn)生32位隨機序號：比如100

可以攜帶數(shù)據(jù)，也可以不攜帶數(shù)據(jù)，攜帶數(shù)據(jù)時要帶上數(shù)據(jù)大小比如10字節(jié) SYN 100(10)，不攜帶數(shù)據(jù)為SYN 100。

服務(wù)端：

檢測SYN的值是否為1。如果SYN值為0，則握手失?。蝗绻鸖YN值為1，則握手成功，服務(wù)端回復(fù)，進行第二次握手。

第二次握手：服務(wù)端回復(fù)并請求建立反向連接。

服務(wù)端：服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)信號ACK并攜帶一個32位的確認(rèn)序號，確認(rèn)序號的值為客戶端SYN隨機序號的值+1，加的這個1實際上是SYN標(biāo)志的大小1字節(jié)。同時，服務(wù)端向客戶端發(fā)起一個反向的連接請求SYN，并攜帶一個32為隨機序號。

確認(rèn)應(yīng)答：ACK標(biāo)志位+32位確認(rèn)序號(值為客戶端隨機序號的值+1+攜帶的數(shù)據(jù)大小)

客戶端不帶數(shù)據(jù)：ACK 101 ? ?---> ? 100+1

客戶端攜帶數(shù)據(jù)：ACK 111 ? ?---> ? ?100+10+1

發(fā)起一個連接請求：SYN+隨機序號，同樣可以攜帶數(shù)據(jù)也可以不攜帶數(shù)據(jù)

不攜帶數(shù)據(jù)：SYN 200(0)

攜帶數(shù)據(jù)：SYN 200(10)

客戶端：檢測確認(rèn)標(biāo)志ACK是否為1，并校驗確認(rèn)序號是否正確。

檢測ACK：為1，對端收到并確認(rèn)應(yīng)答。

校驗：不攜帶數(shù)據(jù)時，確認(rèn)序號為101，正好為自己發(fā)送的SYN100的值加1；攜帶數(shù)據(jù)時，確認(rèn)序號為111，說明自己發(fā)送的10字節(jié)數(shù)據(jù)對端已收到。

第三次握手：客戶端向服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包，完成反向連接的建立

客戶端：確認(rèn)應(yīng)答，ACK+確認(rèn)信號

服務(wù)端未攜帶數(shù)據(jù)：ACK 201

服務(wù)端攜帶數(shù)據(jù)：ACK 211

服務(wù)端：

檢測ACK是否為1

校驗確認(rèn)序號是否正確

至此，三次握手成功，雙向連接均已建立，可以開始數(shù)據(jù)傳輸了。示意圖如下：

2. TCP四次揮手

TCP斷開連接時需要進行四次揮手：

客戶端與服務(wù)端哪一端主動斷開連接都可以；

揮手時需要一個標(biāo)志位FIN，F(xiàn)IN后面也需要跟一個序號，序號的值為對端最后一次發(fā)送的ACK后面的確認(rèn)序號；

四次揮手的過程如下：

第一次揮手：某一端主動發(fā)起斷開連接的請求。

客戶端：發(fā)送斷開連接的請求

FIN + 序號(對端最后一個ACK后面的確認(rèn)序號)

ACK + 序號(自己上一次ACK后面的確認(rèn)序號)

第二次揮手：另一端確認(rèn)斷開連接。

服務(wù)端：

檢測FIN的值是否為1，如果不是1則揮手失敗，即斷開連接失?。?/p>

ACK + 序號(對端FIN后面的序號+收到數(shù)據(jù)的大小+1)，告訴對端對方發(fā)送的數(shù)據(jù)自己收到了多少；

第三次揮手：另一端請求斷開反向連接(TCP是雙向連接，經(jīng)過前兩次揮手只斷開了單向連接，所以需要反向斷開連接)。

服務(wù)端：發(fā)送反向斷開連接的請求。

FIN + 序號(客戶端最后一次ACK所攜帶的確認(rèn)序號)；

ACK + 序號(自己上一次ACK后面的確認(rèn)序號)

第四次揮手：TCP雙向連接斷開。

客戶端：客戶端對服務(wù)端發(fā)送的斷開連接請求進行確認(rèn)。

ACK + 序號(對端FIN后面的序號+收到數(shù)據(jù)的大小+1)

3. TCP連接與數(shù)據(jù)傳輸過程

首先看一個TCP連接與數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D

在圖中：

- 1-3：三次握手階段（握手階段一定有SYN標(biāo)志）

- 4-6：數(shù)據(jù)傳輸階段

- 7-10：四次揮手階段（揮手階段一定有FIN標(biāo)志）

圖中的<mss 1460>表示最大數(shù)據(jù)長度，即告知對端給我發(fā)送數(shù)據(jù)的時候不要超過這個最大長度。

詳細(xì)分析上述過程的完整圖示如下

4. TCP滑動窗口機制

首先看滑動窗口的示意圖

在圖中，發(fā)送端速度快，接收端速度慢，一般來說誰先發(fā)送SYN誰就是客戶端，因為客戶端總是主動連接服務(wù)端，而服務(wù)端則被動等待客戶端的連接。

在TCP中，滑動窗口實際上就是一塊緩沖區(qū)(緩存)。在上圖中，客戶端與服務(wù)端進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候總是帶有一個win 4096或win 6144等標(biāo)志，這個win就代表滑動窗口的意思，而后面的數(shù)字則代表滑動窗口所表示的緩存區(qū)的大小。比如客戶端發(fā)起的第一條握手請求，即fast sender所代表的1處，SYN, 0(0), win 4096, <mss 1460>

SYN表示請求建立連接

0(0)表示隨機序號為0，攜帶數(shù)據(jù)大小為0

win 4096 表示滑動窗口大小為4096字節(jié)，即4KB，可以參考圖中右側(cè)虛線框起來的部分

<mss 1460>表示允許對端一次發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長度為1460字節(jié)

通過server端發(fā)送的 win 6144, <mss 1024> 可知，服務(wù)端滑動窗口大小為6KB，一次可以接受1KB數(shù)據(jù)。client端發(fā)送數(shù)據(jù)的速度是要快于server端接收數(shù)據(jù)的速度的，所以client端會發(fā)送多條數(shù)據(jù)，其中每條數(shù)據(jù)為1KB(由server端的mss指定最大接收長度)，總共發(fā)送的數(shù)據(jù)不能超過6KB(server端的滑動窗口大小)。所以上圖中client端總共發(fā)送了6條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)長度為1KB(可見圖中序號2-9數(shù)據(jù)傳輸)，正好大小總共為6KB，等于server端窗口大小(實際上是server端緩沖區(qū)的大小)。

此時，server端的緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，不能再接收數(shù)據(jù)了，只有當(dāng)server端把數(shù)據(jù)讀出的時候，緩沖區(qū)才能空出位置接受新數(shù)據(jù)。當(dāng)server端讀取了2K數(shù)據(jù)，那么server端的緩沖區(qū)將空余出2K字節(jié)，請見上圖中的序號10處，server端向client端回復(fù) ACK,6145, win 2048，表示server端收到了6144字節(jié)(6KB)數(shù)據(jù)，6145是由6144+1來的，win 2048表示server端現(xiàn)在緩沖區(qū)空余2K空間。當(dāng)server端再次讀出2K數(shù)據(jù)的時候，server再次向client發(fā)送一條數(shù)據(jù) ACK,6145, win 4096，這里ACK和確認(rèn)序號不變，win所代表的窗口大小發(fā)生了變化，變成了當(dāng)前空余的緩沖區(qū)大小4KB，可見上圖中序號11所代表的數(shù)據(jù)傳輸，此時在server發(fā)送數(shù)據(jù)10和11之間，client端并沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，但是server端要向client端告知自己的空閑緩沖區(qū)大小。

最后，12-18的過程實際上就是四次揮手的過程，client發(fā)送FIN斷開連接，此時server還沒有處理完緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，所以每處理一批數(shù)據(jù)都會向client發(fā)送一條信息并告知緩沖區(qū)剩余大小，直到緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部處理完畢，server向client發(fā)送FIN斷開連接。實際上滑動窗口就是緩沖區(qū)的大小，并且在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，并不是client發(fā)一條server就必須收一條，也可以發(fā)多條收多條，這是因為TCP是流式傳輸，一端發(fā)送的數(shù)據(jù)雖然沒有立即被處理，但是已經(jīng)存起來了，就存在了滑動窗口所表示的緩沖區(qū)中，當(dāng)緩沖區(qū)滿了，發(fā)送端就會臨時阻塞，等待接收端緩沖區(qū)出現(xiàn)剩余空間。

上面所描述的過程都是所有數(shù)據(jù)傳輸都成功的前提下進行的，實際上，每條數(shù)據(jù)的發(fā)送都可能會失敗，當(dāng)發(fā)生傳輸失敗的情況，TCP會進行重傳，重傳的示意圖如下：

5. server服務(wù)端與client客戶端編程實現(xiàn)

server.c

/************************************************************  >File Name  : server.c  >Author     : Mindtechnist  >Company    : Mindtechnist  >Create Time: 2022年08月14日 星期日 19時53分24秒************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <string.h>#include <arpa/inet.h>#include <ctype.h>
int main(int argc, char* argv[]){ ?//創(chuàng)建用于監(jiān)聽的套接字 ?int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); ?if(lfd == -1) ?{ ? ?perror("socket err"); ? ?exit(1); ?} ?
 ?//bind ?struct sockaddr_in server_addr; ?//init ?memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); ? ?//bzero(&server_addr, sizeof(serve_addr)); ?server_addr.sin_family = AF_INET; //IPv4 ?server_addr.sin_port = htons(8765); ?server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //使用本機任意IP
 ?int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); ?if(ret == -1) ?{ ? ?perror("bind err"); ? ?exit(1); ?}
 ?//設(shè)置監(jiān)聽 ?ret = listen(lfd, 128); ?if(ret == -1) ?{ ? ?perror("listen err"); ? ?exit(1); ?} ? ?//等待并接受連接請求 ?struct sockaddr_in client_addr; ?socklen_t client_len = sizeof(client_addr); ?int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len); ?if(cfd == -1) ?{ ? ?perror("accept err"); ? ?exit(1); ?} ?  ?char ipbuf[64]; ?printf("client ip: %s, port: %dn", ? ? ?inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)), ? ? ?ntohs(client_addr.sin_port));
 ?//通信 ?while(1) ?{ ? ?//接收數(shù)據(jù) ? ?char buf[1024] = {0}; ? ?int len = read(cfd, buf, sizeof(buf)); ? ?if(len < 0) ? ?{ ? ? ?perror("read err"); ? ? ?break; ? ?} ? ?else if(len == 0) ? ?{ ? ? ?printf("client disconnect ...n"); ? ? ?break; ? ?} ? ? ?else  ? ?{ ? ? ?//讀到數(shù)據(jù) ? ? ?printf("read buf : %sn", buf); ? ? ?for(int i = 0; i < len; i++) ? ? ?{ ? ? ? ?buf[i] = toupper(buf[i]); ? ? ?} ? ? ?printf("toupper read buf: %sn", buf); ? ? ?//發(fā)送數(shù)據(jù) ? ? ?write(cfd, buf, strlen(buf) + 1); ? ?} ?}
 ?close(lfd); ?close(cfd); ? ?return 0;}

client.c

/************************************************************  >File Name  : client.c  >Author     : Mindtechnist  >Company    : Mindtechnist  >Create Time: 2022年08月15日 星期一 11時13分29秒 ************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <string.h>#include <arpa/inet.h>#include <fcntl.h>
int main(int argc, char* argv[]){ ?if(argc < 2) ?{ ? ?printf("err:./exe portn"); ? ?return -1; ?} ?int port = atoi(argv[1]);
 ?//創(chuàng)建套接字 ?int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); ?if(fd == -1) ?{ ? ?perror("socket err"); ? ?exit(1); ?}
 ?//連接服務(wù)器 ?struct sockaddr_in server_addr; ?memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); ?server_addr.sin_family = AF_INET; ?inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr.s_addr); ?int ret = connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); ?if(ret == -1) ?{ ? ?perror("connect err"); ? ?exit(1); ?}
 ?//通信 ?while(1) ?{ ? ?//接收鍵盤輸入 ? ?char buf[512]; ? ?printf("please input string: n"); ? ?fgets(buf, sizeof(buf), stdin); ? ?//發(fā)送給服務(wù)器 ? ?write(fd, buf, strlen(buf));
 ? ?//接收服務(wù)端數(shù)據(jù) ? ?int len = read(fd, buf, sizeof(buf)); ? ?if(len < 0) ? ?{ ? ? ?perror("read err"); ? ? ?exit(1); ? ?} ? ?else if(len == 0) ? ?{ ? ? ?printf("server close connect ...n"); ? ? ?break; ? ?} ? ?else ? ?{ ? ? ?printf("read buf: %s, buflen: %dn", buf, len); ? ?} ?} ?
 ?close(fd);
 ?return 0;}