【来龙去脉系列】TCP连接与断开详解(socket通信)

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一、TCP数据报结构以及三次握手

TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议,数据在传输前要建立连接,传输完毕后还要断开连接。

客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误,为数据的传输开辟通道。

TCP建立连接时要传输三个数据包,俗称三次握手(Three-way Handshaking)。可以形象的比喻为下面的对话:

  • [Shake 1] 套接字A:“你好,套接字B,我这里有数据要传送给你,建立连接吧。”
  • [Shake 2] 套接字B:“好的,我这边已准备就绪。”
  • [Shake 3] 套接字A:“谢谢你受理我的请求。”

TCP数据报结构

我们先来看一下TCP数据报的结构:


带阴影的几个字段需要重点说明一下:
1) 序号:Seq(Sequence Number)序号占32位,用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号,计算机发送数据时对此进行标记。

2) 确认号:Ack(Acknowledge Number)确认号占32位,客户端和服务器端都可以发送,Ack = Seq + 1。

3) 标志位:每个标志位占用1Bit,共有6个,分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN,具体含义如下:

URG:紧急指针(urgent pointer)有效。

ACK:确认序号有效。

PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

RST:重置连接。

SYN:建立一个新连接。

FIN:断开一个连接。

对英文字母缩写的总结:Seq 是 Sequence 的缩写,表示序列;Ack(ACK) 是 Acknowledge 的缩写,表示确认;SYN 是 Synchronous 的缩写,愿意是“同步的”,这里表示建立同步连接;FIN 是 Finish 的缩写,表示完成。

连接的建立(三次握手)

使用 connect() 建立连接时,客户端和服务器端会相互发送三个数据包,请看下图:


客户端调用 socket() 函数创建套接字后,因为没有建立连接,所以套接字处于CLOSED状态;服务器端调用 listen() 函数后,套接字进入LISTEN状态,开始监听客户端请求。

这个时候,客户端开始发起请求:
1) 当客户端调用 connect() 函数后,TCP协议会组建一个数据包,并设置 SYN 标志位,表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000,填充“序号(Seq)”字段,表示该数据包的序号。完成这些工作,开始向服务器端发送数据包,客户端就进入了SYN-SEND状态。

2) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 标志位,就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包,并设置 SYN 和 ACK 标志位,SYN 表示该数据包用来建立连接,ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。

服务器生成一个随机数 2000,填充“序号(Seq)”字段。2000 和客户端数据包没有关系。

服务器将客户端数据包序号(1000)加1,得到1001,并用这个数字填充“确认号(Ack)”字段。

服务器将数据包发出,进入SYN-RECV状态。

3) 客户端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位,就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 1000+1,如果是就说明连接建立成功。

接下来,客户端会继续组建数据包,并设置 ACK 标志位,表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时,将刚才服务器发来的数据包序号(2000)加1,得到 2001,并用这个数字来填充“确认号(Ack)”字段。

客户端将数据包发出,进入ESTABLISED状态,表示连接已经成功建立。

4) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 ACK 标志位,就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 2000+1,如果是就说明连接建立成功,服务器进入ESTABLISED状态。

至此,客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态,连接建立成功,接下来就可以收发数据了。

最后的说明

三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包,这个目标就是通过“确认号(Ack)”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq,待收到对方的数据包后,检测“确认号(Ack)”字段,看Ack = Seq + 1是否成立,如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。

二、TCP数据的传输过程

建立连接后,两台主机就可以相互传输数据了。如下图所示:

图1:TCP 套接字的数据交换过程

上图给出了主机A分2次(分2个数据包)向主机B传递200字节的过程。首先,主机A通过1个数据包发送100个字节的数据,数据包的 Seq 号设置为 1200。主机B为了确认这一点,向主机A发送 ACK 包,并将 Ack 号设置为 1301。
为了保证数据准确到达,目标机器在收到数据包(包括SYN包、FIN包、普通数据包等)包后必须立即回传ACK包,这样发送方才能确认数据传输成功。
此时 Ack 号为 1301 而不是 1201,原因在于 Ack 号的增量为传输的数据字节数。假设每次 Ack 号不加传输的字节数,这样虽然可以确认数据包的传输,但无法明确100字节全部正确传递还是丢失了一部分,比如只传递了80字节。因此按如下的公式确认 Ack 号:

Ack号 = Seq号 + 传递的字节数 + 1

与三次握手协议相同,最后加 1 是为了告诉对方要传递的 Seq 号。

下面分析传输过程中数据包丢失的情况,如下图所示:

图2:TCP套接字数据传输过程中发生错误

上图表示通过 Seq 1301 数据包向主机B传递100字节的数据,但中间发生了错误,主机B未收到。经过一段时间后,主机A仍未收到对于 Seq 1301 的ACK确认,因此尝试重传数据。

为了完成数据包的重传,TCP套接字每次发送数据包时都会启动定时器,如果在一定时间内没有收到目标机器传回的 ACK 包,那么定时器超时,数据包会重传。
上图演示的是数据包丢失的情况,也会有 ACK 包丢失的情况,一样会重传。

重传超时时间(RTO, Retransmission Time Out)

这个值太大了会导致不必要的等待,太小会导致不必要的重传,理论上最好是网络 RTT 时间,但又受制于网络距离与瞬态时延变化,所以实际上使用自适应的动态算法(例如 Jacobson 算法和 Karn 算法等)来确定超时时间。
往返时间(RTT,Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的 ACK 确认包(接收端收到数据后便立即确认),总共经历的时延。

重传次数

TCP数据包重传次数根据系统设置的不同而有所区别。有些系统,一个数据包只会被重传3次,如果重传3次后还未收到该数据包的 ACK 确认,就不再尝试重传。但有些要求很高的业务系统,会不断地重传丢失的数据包,以尽最大可能保证业务数据的正常交互。
三、TCP四次握手断开连接
建立连接非常重要,它是数据正确传输的前提;断开连接同样重要,它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开,不仅会造成数据传输错误,还会导致套接字不能关闭,持续占用资源,如果并发量高,服务器压力堪忧。

建立连接需要三次握手,断开连接需要四次握手,可以形象的比喻为下面的对话:
  • [Shake 1] 套接字A:“任务处理完毕,我希望断开连接。”
  • [Shake 2] 套接字B:“哦,是吗?请稍等,我准备一下。”
  • 等待片刻后……
  • [Shake 3] 套接字B:“我准备好了,可以断开连接了。”
  • [Shake 4] 套接字A:“好的,谢谢合作。”

下图演示了客户端主动断开连接的场景:


建立连接后,客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时,客户端发起断开连接的请求:
1) 客户端调用 close() 函数后,向服务器发送 FIN 数据包,进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写,表示完成任务需要断开连接。

2) 服务器收到数据包后,检测到设置了 FIN 标志位,知道要断开连接,于是向客户端发送“确认包”,进入CLOSE_WAIT状态。

注意:服务器收到请求后并不是立即断开连接,而是先向客户端发送“确认包”,告诉它我知道了,我需要准备一下才能断开连接。

3) 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态,等待服务器准备完毕后再次发送数据包。

4) 等待片刻后,服务器准备完毕,可以断开连接,于是再主动向客户端发送 FIN 包,告诉它我准备好了,断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。

5) 客户端收到服务器的 FIN 包后,再向服务器发送 ACK 包,告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。

6) 服务器收到客户端的 ACK 包后,就断开连接,关闭套接字,进入CLOSED状态。

关于 TIME_WAIT 状态的说明

客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态,而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接,这是为什么呢?

TCP 是面向连接的传输方式,必须保证数据能够正确到达目标机器,不能丢失或出错,而网络是不稳定的,随时可能会毁坏数据,所以机器A每次向机器B发送数据包后,都要求机器B”确认“,回传ACK包,告诉机器A我收到了,这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包,机器A会重新发送,直到机器B回传ACK包。

客户端最后一次向服务器回传ACK包时,有可能会因为网络问题导致服务器收不到,服务器会再次发送 FIN 包,如果这时客户端完全关闭了连接,那么服务器无论如何也收不到ACK包了,所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。那么,要等待多久呢?

数据包在网络中是有生存时间的,超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃,并通知源主机。这称为报文最大生存时间(MSL,Maximum Segment Lifetime)。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间,服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间,2MSL 是数据包往返的最大时间,如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包,就说明服务器已经收到了 ACK 包。
 
四、优雅的断开连接--shutdown()
调用 close()/closesocket() 函数意味着完全断开连接,即不能发送数据也不能接收数据,这种“生硬”的方式有时候会显得不太“优雅”。

图1:close()/closesocket() 断开连接

上图演示了两台正在进行双向通信的主机。主机A发送完数据后,单方面调用 close()/closesocket() 断开连接,之后主机A、B都不能再接受对方传输的数据。实际上,是完全无法调用与数据收发有关的函数。
一般情况下这不会有问题,但有些特殊时刻,需要只断开一条数据传输通道,而保留另一条。
使用 shutdown() 函数可以达到这个目的,它的原型为:
[cpp] view plain copy
 
  1. int shutdown(int sock, int howto);  //Linux  
  2. int shutdown(SOCKET s, int howto);  //Windows  
sock 为需要断开的套接字,howto 为断开方式。

howto 在 Linux 下有以下取值:
  • SHUT_RD:断开输入流。套接字无法接收数据(即使输入缓冲区收到数据也被抹去),无法调用输入相关函数。
  • SHUT_WR:断开输出流。套接字无法发送数据,但如果输出缓冲区中还有未传输的数据,则将传递到目标主机。
  • SHUT_RDWR:同时断开 I/O 流。相当于分两次调用 shutdown(),其中一次以 SHUT_RD 为参数,另一次以 SHUT_WR 为参数。

howto 在 Windows 下有以下取值:
  • SD_RECEIVE:关闭接收操作,也就是断开输入流。
  • SD_SEND:关闭发送操作,也就是断开输出流。
  • SD_BOTH:同时关闭接收和发送操作。

至于什么时候需要调用 shutdown() 函数,下节我们会以文件传输为例进行讲解。

close()/closesocket()和shutdown()的区别

确切地说,close() / closesocket() 用来关闭套接字,将套接字描述符(或句柄)从内存清除,之后再也不能使用该套接字,与C语言中的 fclose() 类似。应用程序关闭套接字后,与该套接字相关的连接和缓存也失去了意义,TCP协议会自动触发关闭连接的操作。
shutdown() 用来关闭连接,而不是套接字,不管调用多少次 shutdown(),套接字依然存在,直到调用 close() / closesocket() 将套接字从内存清除。
调用 close()/closesocket() 关闭套接字时,或调用 shutdown() 关闭输出流时,都会向对方发送 FIN 包。FIN 包表示数据传输完毕,计算机收到 FIN 包就知道不会再有数据传送过来了。
默认情况下,close()/closesocket() 会立即向网络中发送FIN包,不管输出缓冲区中是否还有数据,而shutdown() 会等输出缓冲区中的数据传输完毕再发送FIN包。也就意味着,调用 close()/closesocket() 将丢失输出缓冲区中的数据,而调用 shutdown() 不会。
五、socket文件传输功能的实现
我们来完成 socket 文件传输程序,这是一个非常实用的例子。要实现的功能为:client 从 server 下载一个文件并保存到本地。
编写这个程序需要注意两个问题:
1) 文件大小不确定,有可能比缓冲区大很多,调用一次 write()/send() 函数不能完成文件内容的发送。接收数据时也会遇到同样的情况。
要解决这个问题,可以使用 while 循环,例如:
[cpp] view plain copy
 
  1. //Server 代码  
  2. int nCount;  
  3. while( (nCount = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, fp)) > 0 ){  
  4.     send(sock, buffer, nCount, 0);  
  5. }  
  6. //Client 代码  
  7. int nCount;  
  8. while( (nCount = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0 ){  
  9.     fwrite(buffer, nCount, 1, fp);  
  10. }  
对于 Server 端的代码,当读取到文件末尾,fread() 会返回 0,结束循环。

对于 Client 端代码,有一个关键的问题,就是文件传输完毕后让 recv() 返回 0,结束 while 循环。
注意:读取完缓冲区中的数据 recv() 并不会返回 0,而是被阻塞,直到缓冲区中再次有数据。
2) Client 端如何判断文件接收完毕,也就是上面提到的问题——何时结束 while 循环。
最简单的结束 while 循环的方法当然是文件接收完毕后让 recv() 函数返回 0,那么,如何让 recv() 返回 0 呢?recv() 返回 0 的唯一时机就是收到FIN包时。
FIN 包表示数据传输完毕,计算机收到 FIN 包后就知道对方不会再向自己传输数据,当调用 read()/recv() 函数时,如果缓冲区中没有数据,就会返回 0,表示读到了”socket文件的末尾“。
这里我们调用 shutdown() 来发送FIN包:server 端直接调用 close()/closesocket() 会使输出缓冲区中的数据失效,文件内容很有可能没有传输完毕连接就断开了,而调用 shutdown() 会等待输出缓冲区中的数据传输完毕。
本节以Windows为例演示文件传输功能,Linux与此类似,不再赘述。请看下面完整的代码。
服务器端 server.cpp:
[cpp] view plain copy
 
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <winsock2.h>  
  4. #pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll  
  5.   
  6. #define BUF_SIZE 1024  
  7.   
  8. int main(){  
  9.     //先检查文件是否存在  
  10.     char *filename = "D:\\send.avi";  //文件名  
  11.     FILE *fp = fopen(filename, "rb");  //以二进制方式打开文件  
  12.     if(fp == NULL){  
  13.         printf("Cannot open file, press any key to exit!\n");  
  14.         system("pause");  
  15.         exit(0);  
  16.     }  
  17.   
  18.     WSADATA wsaData;  
  19.     WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);  
  20.     SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
  21.   
  22.     sockaddr_in sockAddr;  
  23.     memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  
  24.     sockAddr.sin_family = PF_INET;  
  25.     sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
  26.     sockAddr.sin_port = htons(1234);  
  27.     bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  
  28.     listen(servSock, 20);  
  29.   
  30.     SOCKADDR clntAddr;  
  31.     int nSize = sizeof(SOCKADDR);  
  32.     SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);  
  33.   
  34.     //循环发送数据,直到文件结尾  
  35.     char buffer[BUF_SIZE] = {0};  //缓冲区  
  36.     int nCount;  
  37.     while( (nCount = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, fp)) > 0 ){  
  38.         send(clntSock, buffer, nCount, 0);  
  39.     }  
  40.   
  41.     shutdown(clntSock, SD_SEND);  //文件读取完毕,断开输出流,向客户端发送FIN包  
  42.     recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //阻塞,等待客户端接收完毕  
  43.   
  44.     fclose(fp);  
  45.     closesocket(clntSock);  
  46.     closesocket(servSock);  
  47.     WSACleanup();  
  48.   
  49.     system("pause");  
  50.     return 0;  
  51. }  

客户端代码:
[cpp] view plain copy
 
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <WinSock2.h>  
  4. #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  
  5.   
  6. #define BUF_SIZE 1024  
  7.   
  8. int main(){  
  9.     //先输入文件名,看文件是否能创建成功  
  10.     char filename[100] = {0};  //文件名  
  11.     printf("Input filename to save: ");  
  12.     gets(filename);  
  13.     FILE *fp = fopen(filename, "wb");  //以二进制方式打开(创建)文件  
  14.     if(fp == NULL){  
  15.         printf("Cannot open file, press any key to exit!\n");  
  16.         system("pause");  
  17.         exit(0);  
  18.     }  
  19.   
  20.     WSADATA wsaData;  
  21.     WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);  
  22.     SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  
  23.   
  24.     sockaddr_in sockAddr;  
  25.     memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  
  26.     sockAddr.sin_family = PF_INET;  
  27.     sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
  28.     sockAddr.sin_port = htons(1234);  
  29.     connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  
  30.   
  31.     //循环接收数据,直到文件传输完毕  
  32.     char buffer[BUF_SIZE] = {0};  //文件缓冲区  
  33.     int nCount;  
  34.     while( (nCount = recv(sock, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0 ){  
  35.         fwrite(buffer, nCount, 1, fp);  
  36.     }  
  37.     puts("File transfer success!");  
  38.   
  39.     //文件接收完毕后直接关闭套接字,无需调用shutdown()  
  40.     fclose(fp);  
  41.     closesocket(sock);  
  42.     WSACleanup();  
  43.     system("pause");  
  44.     return 0;  
  45. }  
在D盘中准备好send.avi文件,先运行 server,再运行 client:
Input filename to save: D:\\recv.avi↙
//稍等片刻后
File transfer success!
打开D盘就可以看到 recv.avi,大小和 send.avi 相同,可以正常播放。
注意 server.cpp 第42行代码,recv() 并没有接收到 client 端的数据,当 client 端调用 closesocket() 后,server 端会收到FIN包,recv() 就会返回,后面的代码继续执行。
posted @ 2020-01-13 15:17  小y  阅读(...)  评论(...编辑  收藏