TCP通信机制：三次握手、四次挥手、滑动窗口

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TCP通信机制

• • 1. TCP三次握手
  • 2. TCP四次挥手
  • 3. TCP连接与数据传输过程
  • 4. TCP滑动窗口机制
  • 5. server服务端与client客户端编程实现

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专栏：《Linux从小白到大神》《网络编程》

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1. TCP三次握手

TCP是一种面向连接的安全的流式传输协议，TCP报文的格式如下

• 标志位URG、ACK、PSH、PST、SYN、FIN
  • SYN：请求建立连接
  • ACK：给对端应答
  • FIN：断开连接
• 16位窗口大小：这里的窗口实际上就是滑动窗口（将在后面介绍），这个窗口大小只是记录了存放数据的缓冲区也就是窗口有多大，而不是实际存放数据的地方。
• 32位序号：在请求建立连接时跟在SYN标志位后面的随机序号。
• 32位确认序号：在应答时跟在ACK标志位后面的确认序号，它的值是对端在建立连接时跟随在对端发送的SYN后面的随机序号的值加上SYN携带的数据大小再加上1，如果对端SYN未携带数据，则直接在对端SYN后面随机序号的基础上加1。比如客户端发起连接并携带SYN 100(10)，服务端收到后会回复ACK 111，表示连接请求已收到且10个字节的数据也已收到；如果客户端发起的连接为SYN 100，不携带数据，那么服务端回复为ACK 101。总之，ACK后面的确认序号值为对端SYN随机序号+携带数据大小+1。

TCP在建立连接的时候需要进行三次握手（TCP握手时一定有SYN标志，不带SYN标志的为建立连接后的正常数据传输）

• 第一次握手：第一次握手应该由客服端发起，服务端被动等待连接。
  • 客户端：主动发起连接
    • 携带标志位SYN
    • 产生32位随机序号：比如100
      • 可以携带数据，也可以不携带数据，携带数据时要带上数据大小比如10字节 SYN 100(10)，不携带数据为SYN 100。
  • 服务端：
    • 检测SYN的值是否为1。如果SYN值为0，则握手失败；如果SYN值为1，则握手成功，服务端回复，进行第二次握手。
• 第二次握手：服务端回复并请求建立反向连接。
  • 服务端：服务端发送确认信号ACK并携带一个32位的确认序号，确认序号的值为客户端SYN随机序号的值+1，加的这个1实际上是SYN标志的大小1字节。同时，服务端向客户端发起一个反向的连接请求SYN，并携带一个32为随机序号。
    • 确认应答：ACK标志位+32位确认序号(值为客户端随机序号的值+1+携带的数据大小)
      • 客户端不带数据：ACK 101 —> 100+1
      • 客户端携带数据：ACK 111 —> 100+10+1
    • 发起一个连接请求：SYN+随机序号，同样可以携带数据也可以不携带数据
      • 不携带数据：SYN 200(0)
      • 携带数据：SYN 200(10)
  • 客户端：检测确认标志ACK是否为1，并校验确认序号是否正确。
    • 检测ACK：为1，对端收到并确认应答。
    • 校验：不携带数据时，确认序号为101，正好为自己发送的SYN100的值加1；携带数据时，确认序号为111，说明自己发送的10字节数据对端已收到。
• 第三次握手：客户端向服务端发送确认数据包，完成反向连接的建立。
  • 客户端：确认应答，ACK+确认信号
    • 服务端未携带数据：ACK 201
    • 服务端携带数据：ACK 211
  • 服务端：
    • 检测ACK是否为1
    • 校验确认序号是否正确

至此，三次握手成功，双向连接均已建立，可以开始数据传输了。示意图如下：

2. TCP四次挥手

TCP断开连接时需要进行四次挥手：

• 客户端与服务端哪一端主动断开连接都可以；
• 挥手时需要一个标志位FIN，FIN后面也需要跟一个序号，序号的值为对端最后一次发送的ACK后面的确认序号；

四次挥手的过程如下：

• 第一次挥手：某一端主动发起断开连接的请求。
  • 客户端：发送断开连接的请求
    • FIN + 序号(对端最后一个ACK后面的确认序号)
    • ACK + 序号(自己上一次ACK后面的确认序号)
• 第二次挥手：另一端确认断开连接。
  • 服务端：
    • 检测FIN的值是否为1，如果不是1则挥手失败，即断开连接失败；
    • ACK + 序号(对端FIN后面的序号+收到数据的大小+1)，告诉对端对方发送的数据自己收到了多少；
• 第三次挥手：另一端请求断开反向连接(TCP是双向连接，经过前两次挥手只断开了单向连接，所以需要反向断开连接)。
  • 服务端：发送反向断开连接的请求。
    • FIN + 序号(客户端最后一次ACK所携带的确认序号)；
    • ACK + 序号(自己上一次ACK后面的确认序号)
• 第四次挥手：TCP双向连接断开。
  • 客户端：客户端对服务端发送的断开连接请求进行确认。
    • ACK + 序号(对端FIN后面的序号+收到数据的大小+1)

3. TCP连接与数据传输过程

首先看一个TCP连接与数据传输的示意图

在图中：

• 1-3：三次握手阶段（握手阶段一定有SYN标志）
• 4-6：数据传输阶段
• 7-10：四次挥手阶段（挥手阶段一定有FIN标志）

图中的<mss 1460>表示最大数据长度，即告知对端给我发送数据的时候不要超过这个最大长度。

详细分析上述过程的完整图示如下

4. TCP滑动窗口机制

首先看滑动窗口的示意图

在图中，发送端速度快，接收端速度慢，一般来说谁先发送SYN谁就是客户端，因为客户端总是主动连接服务端，而服务端则被动等待客户端的连接。

在TCP中，滑动窗口实际上就是一块缓冲区(缓存)。在上图中，客户端与服务端进行数据传输的时候总是带有一个win 4096或win 6144等标志，这个win就代表滑动窗口的意思，而后面的数字则代表滑动窗口所表示的缓存区的大小。比如客户端发起的第一条握手请求，即fast sender所代表的1处，SYN, 0(0), win 4096, <mss 1460>

• SYN表示请求建立连接
• 0(0)表示随机序号为0，携带数据大小为0
• win 4096 表示滑动窗口大小为4096字节，即4KB，可以参考图中右侧虚线框起来的部分
• <mss 1460>表示允许对端一次发送的最大数据长度为1460字节

通过server端发送的 win 6144, <mss 1024> 可知，服务端滑动窗口大小为6KB，一次可以接受1KB数据。client端发送数据的速度是要快于server端接收数据的速度的，所以client端会发送多条数据，其中每条数据为1KB(由server端的mss指定最大接收长度)，总共发送的数据不能超过6KB(server端的滑动窗口大小)。所以上图中client端总共发送了6条数据，每条数据长度为1KB(可见图中序号2-9数据传输)，正好大小总共为6KB，等于server端窗口大小(实际上是server端缓冲区的大小)。

此时，server端的缓冲区已经满了，不能再接收数据了，只有当server端把数据读出的时候，缓冲区才能空出位置接受新数据。当server端读取了2K数据，那么server端的缓冲区将空余出2K字节，请见上图中的序号10处，server端向client端回复 ACK,6145, win 2048，表示server端收到了6144字节(6KB)数据，6145是由6144+1来的，win 2048表示server端现在缓冲区空余2K空间。当server端再次读出2K数据的时候，server再次向client发送一条数据 ACK,6145, win 4096，这里ACK和确认序号不变，win所代表的窗口大小发生了变化，变成了当前空余的缓冲区大小4KB，可见上图中序号11所代表的数据传输，此时在server发送数据10和11之间，client端并没有发送数据，但是server端要向client端告知自己的空闲缓冲区大小。

最后，12-18的过程实际上就是四次挥手的过程，client发送FIN断开连接，此时server还没有处理完缓冲区中的数据，所以每处理一批数据都会向client发送一条信息并告知缓冲区剩余大小，直到缓冲区中的数据全部处理完毕，server向client发送FIN断开连接。实际上滑动窗口就是缓冲区的大小，并且在发送数据过程中，并不是client发一条server就必须收一条，也可以发多条收多条，这是因为TCP是流式传输，一端发送的数据虽然没有立即被处理，但是已经存起来了，就存在了滑动窗口所表示的缓冲区中，当缓冲区满了，发送端就会临时阻塞，等待接收端缓冲区出现剩余空间。

上面所描述的过程都是所有数据传输都成功的前提下进行的，实际上，每条数据的发送都可能会失败，当发生传输失败的情况，TCP会进行重传，重传的示意图如下：

5. server服务端与client客户端编程实现

server.c

/************************************************************
  >File Name  : server.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年08月14日 星期日 19时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[])
{
	//创建用于监听的套接字
	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); //使用本机任意IP

	int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if(ret == -1)
	{
		perror("bind err");
		exit(1);
	}

	//设置监听
	ret = listen(lfd, 128);
	if(ret == -1)
	{
		perror("listen err");
		exit(1);
	}
	
	//等待并接受连接请求
	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: %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
			ntohs(client_addr.sin_port));

	//通信
	while(1)
	{
		//接收数据
		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 
		{
			//读到数据
			printf("read buf : %s\n", buf);
			for(int i = 0; i < len; i++)
			{
				buf[i] = toupper(buf[i]);
			}
			printf("toupper read buf: %s\n", buf);
			//发送数据
			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时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 port\n");
		return -1;
	}
	int port = atoi(argv[1]);

	//创建套接字
	int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(fd == -1)
	{
		perror("socket err");
		exit(1);
	}

	//连接服务器
	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)
	{
		//接收键盘输入
		char buf[512];
		printf("please input string: \n");
		fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
		//发送给服务器
		write(fd, buf, strlen(buf));

		//接收服务端数据
		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: %d\n", buf, len);
		}
	}	

	close(fd);

	return 0;
}

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