三次握手和4次挥手

一. 三次握手

tcp是可靠的连接，在tcp连接时需要进行3次对话（握手）

在服务端进行监听时listen客户端就可以向服务端发送请求connect进行连接，这是首次进行对话，在这个过程中，当客户端调用connect时就会触发三次握手。

当三次握手完成后，客户端和服务端就会建立起一个双向的传输通道。

具体图示如下：

image-20251202165010157

注意：

  • 客户端的socket也有端口号，但是不需要关心，所以客户端的socket是随机分配的。

  • 服务端的bind()函数，普通用户权限只能使用1024端口以上的端口，而root权限用户则可以使用所有端口。

  • listen()函数的第二个参数+1为已连接的队列（ESTABLISHED状态）的大小。超过这个数量的客户端连接到同一个socket进程后的状态会显示为SYN_RECV状态，也称之为半连接状态。

  • 上方的图中的状态CLOSED状态是不存在的假想状态。

二. 四次挥手

断开一个TCP连接时，客户端和服务端需要相互总共发送四个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任意一方执行close()触发

具体流程图如下：image-20251202172859539

注意：

  • 主动断开端在四次挥手后，socket的状态为TIME_WAIT,该状态将持续2MSL(30s/1min/2min)。MSL（Maximum Segment Lifetime）报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被废弃。

  • 如果是客户端主动断开，TIME_WAIT的状态几乎不会造成危害,原因如下：

    1. 客户端程序的socket程序很少。
    2. 客户端的端口是随机分配的，不存在重用的问题。

  • 如果是服务端主动断开，有两方面危害：

    1. socket没有立即释放。
    2. 端口号只能在2MSL后才能继续使用。

    在服务端程序中，用setsockopt()函数设置socket属性（一定要放在bind()之前）

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    int opt = 1;
    setsockopt(m_listenfid,
               SOL_SOCKET,
               SO_REUSERADDR,
               &opt,
               sizeof(opt));

socket函数有关参数解释

在cpp中我们的网络组件都是由以下几个关键接口组成：

服务端：

  • socket:网络通信对象

  • bind:绑定IP和端口，作为通信入口

  • listen:开启监听，等待客户端请求

  • accept:接收客户端连接请求

  • send:发送数据

  • recv:接收数据

  • close:关闭连接

客户端：

  • socket:网络通信对象
  • connect:连接服务器
  • send:发送数据
  • recv:接收数据
  • close:关闭连接

一. socket函数参数

socket创建：

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int socket(int domain,int type,int protocol); //Linux
SOCKET socket(int domain,int type,int protocol); //Windows

创建成功返回一个有效的socket，失败返回-1，errno被设置。

参数不错的情况下基本不会失败。

单个进程中创建的socket数量与受系统参数open files的限制（socket本质也是文件描述符）

  • domain家族:

    1. AF_INET：IPv4互联网协议族
    2. AF_INT6：IPv6互联网协议族
    3. AF_LOCAL：本地通信协议族
    4. AF_PACKET：内核底层协议族
    5. AF_IPX：IPX Novell协议族

  • type数据传输类型：

    1. SOCK_STREAM面向连接的socket：
      • 数据不会丢失
      • 数据顺序不会错乱
      • 双向通道
    2. SOCK_DGRAM无连接的socket:
      • 数据可能会丢失
      • 数据顺序可能会错乱
      • 传输效率更高

  • protocol最终使用协议：

IPv4网络家族协议中，数据传输方式为SOCK_STREAM的协议只有IPPROTO_TCP，数据传输方式为SOCK_DGRAM协议的只有IPPROTO_UDP。

此处参数也可以填0编译器可自动识别

TCP和UDP

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socket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP);

二. bind函数参数

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int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);//Linux
int bind(SOCKET sockfd,const struct sockaddr* addr,socklen_t addrlen);//windows

给socket绑定一个地址，这样client对这个地址收发相应的数据就能和socket关联如果绑定失败会返回-1,erron被设置

在服务端中必须要进行调用，在客户端中不需要调用，也可以调用，如果不调用则由系统自动绑定本机地址和随机分配端口进行连接

  • sockfd:socket文件描述符
  • addr:构建sockaddr的结构体包含IP端口等信息
  • addrlen:结构体addr的参数长度

三. listen函数参数

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int listen(int sockfd,int backlog);//Linux
int listen(SOCKET sockfd,int backlog); //windows

当服务器开启监听后会等待客户端的连接请求，如果开启失败会返回-1,erron被设置

同样在服务器中必须要被调用以用来接收请求

  • sockfd:socket文件描述符
  • backlog:指定了服务器排队的最大连接数，当客户端发起请求时，服务器需要时间来处理请求，因此会有一个队列来存储这些暂时不能处理的请求。如果并发量小一般可以设置为10-20。如果将其设置为SOMAXCONN则是由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百甚至更多。当队列满后不再接收新的请求。

四. accept函数参数

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int accept(int sock,struct sockaddr* addr,socklen_t *addrlen);//Linux
SOCKET accept(SOCKET sock,struct sockaddr* addr ,socklen_t *addrlen); //windows

accpet是专门用来接收客户端请求用的，与listen配套使用

  • sock：服务器套接字（这里是服务器的而不是客户端的）
  • addr：保存的是客户端的相关信息。后续要使用addr进行与客户端的通讯
  • addrlen：结构体的大小。

跟listen进行区分，在listen只是开启了监听，而accept才是真正进行接收工作。accept会阻塞程序运行，直到由新的请求

五. send/recv函数参数

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//Linux
ssize_t send(int sockfd,const void* sendbuffer,size_t nbytes,int flag);
ssize_t recv(int sockfd,void* recvbuffer,size_t nbytes,int flag);
//Windows
int send(SOCKET sockfd,const char* sendbuffer ,int nbytes,int flag);
int recv(int sockfd,char* recvbuffer,size_t nbytes,int flag);

send和recv都是用来对字节流的传输和接收，其中Linux中还有read()和write()的使用如下：

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//仅限Linux
ssize_t write(int sockfd,const void* sendbuffer,size_t nbytes);
ssize_t read(int sockfd ,void* recvbuffer,size_t nbytes);

两者明显的区别是write和read没有flag参数，然而在使用时基本使用send和recv因为功能更全面且两个平台均支持，所以兼容性也更好。

  • sockfd:目标端套接字

  • sendbuffer:要发送的消息（win端要转化为字符数组类型地址，Linux可以直接发送结构体）

  • recvbuffer:要发送的消息（win端要转化为字符数组类型地址，Linux可以直接发送结构体）

  • nbytes:要发送消息的字节长度

六. close函数

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close(int sockfd);//Linux
closesocket(SOCKET sockfd);//Windows

用来关闭连接使用，关闭自身socket对象。

TCP缓存

系统为每个socket创建了发送缓冲区和接收缓冲区，应用程序调用send()或者write()函数发送数据的时候，内核吧数据从应用进程拷贝socket的发送缓冲区中；应用程序调用recv()或者read()函数接收数据的时候，内核把数据从socket的接收缓冲区拷贝进应用进程中。

发送数据即把数据放入发送缓存区。

接收数据即从接收缓冲区中取数据。

查看socket缓存大小:

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int bufsize = 0;
socklen_t optlen = sizeof(bufsize);

//发送缓冲区大小
getsockopt(sockfd ,SOL_SOCKET,SO_SNDBUF,&bufsize,&optlen);
std::cout << "send bufsize = " << bufsize << std::endl;

//接收缓冲区大小
getsockopt(sockfd ,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,&bufsize,&optlen);
std::cout << "recv bufsize = " << bufsize << std::endl;

注意：

send():函数在发送缓存区或者对端的接收缓存区满了时会阻塞。

  • Nagle算法

在TCP协议中无论发送多少数据，都要在数据前面加上协议头，同时对方接收到数据后也要回复ACK表示确认，为了尽可能的利用网络带宽，TCP每次希望都能够以MSS(Maximum Segment Size,最大报文长度)，的数据块来发送数据。

Nagle 算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着小数据块

Nagle 算法的定义是：任意时刻，最多只有一个违背确认的小段，小段是指小于MSS的数据块，违背确认是指一个数据块发送出去后，没有收到对端回复的ACK。

  • ACK延迟机制

TCP协议中不仅仅有Nagle算法，还有一个ACK延迟机制：

当接收端收到数据后，并不会马上向发送端回复ACK,而是延迟40ms后再回复，它希望再40ms内接收端会向发送端回复应答数据，这养ACK可以和应答数据一起发送，把ACK稍带过去。

如果TCP连接的一段启用了Nagle算法，另一端启用了ACK延迟机制，而发送的数据包又比较小，则可能出现这样的情况：发送端在等待上一个包的ACK，而接收端正好延迟了此ACK，那么这个正要发送的包就被延迟了40ms。

解决方案

开启TCP_NODELAY,开启后就是禁用Nagle算法

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#include <netinet/tcp.h>
int opt = 1;
setsockopt(sockfd,IPPROTO_TCP,TCP_NODELAY,&opt,sizeof(opt));

对时效要求高的系统中，如联机游戏就会禁用Nagle算法。