uc_15_TCP协议

1 TCP协议

TCP提供客户机与服务器的链接。一个完整TCP通信过程需要经历三个阶段

1）首先，客户机必须建立与服务器的连接，所谓虚电路

2）然后，凭借已建立好的连接，通信双方相互交换数据

3）最后，客户机与服务器双双终止连接，结束通信过程

TCP保证数据传输的可靠性(超时重传、反向确认）：

TCP的协议栈底层在向另一端发送数据时，会要求对方在一个给定的时间窗口内返回确认。如果超过了这个时间窗口仍没有收到确认，则TCP会重传数据并等待更长的时间。只有在数次重传均告失败以后，TCP才会最终放弃。TCP含有用于动态估算数据往返时间（Round-Trip Time, RTT）的算法，因此它知道等待一个确认需要多长时间。

TCP保证数据传输的有序性：

TCP的协议栈底层在向另一端发送数据时，会为所发送数据的每个字节指定一个序列号。即使这些数据字节没有能够按照发送时的顺序到达接收方，接收方的TCP也可以根据它们的序列号重新排序，再把最后的结果交给应用程序。

TCP是全双工的：

在给定的连接上，应用程序在任何时候都既可以发送数据也可以接收数据。因此，TCP必须跟踪每个方向上数据流的状态信息，如序列号和通告窗口的大小。

1.1 三次握手（建立连接）

三次握手交换数据

1）客户机的TCP协议栈向服务器发送一个SYN分节（SYN比特位是1），告知对方自己将在连接中发送数据的初始序列号，称为主动打开。

2）服务器的TCP协议栈向客户机发送一个单个分节，其中不仅包括对客户机SYN分节的ACK应答，还包含服务器自己的SYN分节（ACK和SYN比特位均是1），以告知对方自己在同一连接中发送数据的初始序列号。

3）客户机的TCP协议栈向服务器返回ACK应答，以表示对服务器所发SYN的确认。

交换数据：

- 一旦连接建立，客户机即可构造请求包，并发往服务器。服务器接收并处理来自客户机的请求包，构造响应包。

- 服务器向客户机发送响应包，同时捎带对客户机请求包的ACK应答（反向确认）。

- 客户机接收来自服务器的响应包，同时向对方发送ACK应答（反向确认）。

1.2 四次挥手（关闭连接）

1）客户机或者服务器主动关闭连接，TCP协议向对方发送FIN分节，表示数据通信结束。如果此时尚有数据滞留于发送缓冲区中，则FIN分节跟在所有未发送数据之后。

2）接收到FIN分节的另一端执行被动关闭，一方面通过TCP协议栈向对方发送ACK应答，另一方面向应用程序传递文件结束符。

3）一段时间后，方才接收到FIN分节的进程关闭自己的链接，同时通过TCP协议栈向对方发送FIN分节。

4）对方在收到FIN分节后发送ACK应答。

2 TCP函数

2.1 listen()

#include <sys/socket.h>

int listen( int socket, int backlog );

功能：启动侦听，在指定套接字上启动对连接请求的侦听功能

sockfd：套接字描述符，在调用此函数之前是一个主动套接字，是不能感知连接请求的

在调用此函数并成功返回后，是一个被动套接字，具有感知连接请求的能力。

backlog：未决连接请求队列的最大长度，一般取不小于1024的值

返回值：成0败-1

2.2 accept()

三次握手始于connect()，终于accept()结束

#include <sys/socket.h>

int accept( int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen );

功能：等待并接受连接请求，在指定套接字上阻塞，直到连接建立完成

sockfd：侦听套接字描述符

addr：输出连接请求发起方的地址信息

addrlen：输出连接请求发起方的地址信息字节数

返回值：成功返回可用于后续通信的连接套接字描述符，失败返回-1

2.3 recv()

#include <sys/socket.h>

ssize_t recv( int sockfd, void* buf, size_t count, int flags );

功能：接收数据

flags：取0则与read()函数等价。另外也可取以下值

MSG_DONTWAIT 以非阻塞方式接收数据

MSG_OOB 接收带外数据

MSG_WAITALL 等待所有数据，即不接收到count个字节就不返回

返回值：成功返回实际接收到的字节数，失败返回-1

2.4 send()

#include <sys/socket.h>

ssize_t send( int sockfd, void const* buf, size_t count, int flags );

功能：发送数据

flags：取0则与write()函数等价。另外也可取以下值

MSG_DONTWAIT 以非阻塞方方式发送数据

MSG_OOB 接收带外数据

MSG_DONTROUTE 不查路由表，直接在本地网络中寻找目的主机

返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回-1

3 TCP编程模型

4 通信终止

4.1 客户机主动终止

在某个时刻，客户机认为已经不再需要服务器继续为其提供服务器了，于是它在接收完最后一个响应包以后，通过close()函数关闭与服务器通信的套接字。

客户机的TCP协议栈向服务器发送FIN分节并得到对方的ACK应答。

服务器专门负责与客户机通信的子进程，此刻正视图通过recv()接收下一个请求包，结果却因为收到来自客户机的FIN分节而返回0。

于是该子进程退出收发循环，同时通过close()关闭连接套接字，导致服务器的TCP协议栈向客户机发送FIN分节，使对方进入TIME_WAIT状态，并在收到对方ACK应答以后，自己进入CLOSED状态。

随着收发循环的退出，服务器子进程终止，并在服务器主进程的SIGCHLD(17)信号处理函数中被回收。

通信过程宣告结束。

4.2 服务器主动终止

服务器专门负责和某个特定客户机通信的子进程，在运行过程中出现错误，不得不调用close()函数关闭连接套接字，或者直接退出，甚至被信号杀死。于是服务器的TCP协议栈向客户机发送FIN分节并得到对方的ACK应答。

A、如果客户机这时正视图通过recv()接收响应包，那么该函数会返回0。客户机可据此判断服务器已宕机，直接通过close()关闭与服务器通信的套接字，终止通信进程。

B、如果客户机这时正视图通过send()发送请求包，那么该函数并不会失败，但会导致对方以RST分节做出响应，该响应分节甚至会先于FIN分节被紧随其后的recv()收到并返回-1，同时置errno为ECONNRESET。这也是终止通信的条件之一。

4.3 服务器主机不可达(主机崩溃、网络中断、路由失效...)

在服务器主机不可达的情况下，无论是客户机还是服务器，它们的TCP协议栈都不可能再有任何数据分节的交换。因此，客户机通过send()函数发送完请求包以后，会阻塞在recv()上等待来自服务器的响应包。

这是客户机的TCP协议栈会持续地重传数据分节，视图得到对方的ACK应答。源自伯克利的实现最多重传12次，最长等待9分钟。

当TCP最终决定放弃时，会通过recv()向用户进程返回失败，并置errno为ETIMEOUT或EHOSTUNREACH或ENETUNREACH。

此后，即使服务器主机被重启，或者通信线路被恢复，由于TCP协议栈已丢失了与先前连接有关的信息，通信依然无法继续，对所接收到的一切数据一律响应RST分节，只有在重新建立TCP连接后，才能继续通信。

5 域名解析

IP地址是网络上标识站点的数字地址，为了方便记忆，采用域名来代替IP地址标识站点地址。

域名解析就是域名到IP地址的转换过程，由DNS服务器完成。

当应用过程需要将一个主机域名映射为IP地址时，就调用域名解析函数，解析函数将待转换的域名放在DNS请求中，以UDP报文方式发给本地域名服务器。本地的域名服务器查到域名后，将对应的IP地址放在应答报文中返回。

5.1 gethostbyname()

#include <netdb.h>

struct hostnet* gethostbyname( char const* host_name );

功能：通过参数所传的主机域名，获取主机信息

host_name：主机域名

返回值：成功返回表示主机信息的结构体指针，失败返回NULL

注意，该函数需要在联网情况下使用。

struct hostent {

char *h_name; // 主机官方名

char **h_aliases; // 主机别名表

int h_addrtype; // 地址类型

int h_length; // 地址长度

int **h_addr_list; // IP地址表

};

对于WEB服务器而言，主机官方名有一个，而主机别名可能有多个，这些别名都是为了便于用户记忆。同时IP地址也可能有多个。

h_aliases -> * -> "xxx\n"

-> * -> "xxx\n"

NULL;

h_addr_list -> * -> in_addr

-> * -> in_addr

NULL

//tcpser.c  基于tcp的服务器
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<ctype.h> // toupper()
#include<sys/socket.h>//网络
#include<sys/types.h>//网络
#include<arpa/inet.h>//网络
#include<signal.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>
//信号处理函数,收尸int main(void){//捕获17号信号printf("服务器:创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");}//组织地址结构printf("服务器:组织地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8980); //8980由小端转大端//ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.222.136");ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//绑定地址结构和套接字printf("服务器:绑定套接字和地址结构\n");if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser)) == -1){perror("bind");return -1;}//开启侦听 套接字 主动-->被动-->感知连接请求printf("服务器:启动侦听\n");if(listen(sockfd,1024) == -1){perror("listen");return -1;}for(;;){//等待并建立通信连接printf("服务器:等待并建立通信连接\n");struct sockaddr_in cli;//用来输出客户端的地址结构socklen_t len = sizeof(cli);//用来输出地址结构大小int conn = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&cli,&len);if(conn == -1){perror("accept");return -1;}printf("服务器:接收到%s:%hu的客户端的连接\n",inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port));//创建子进程 fork//子进程服务业务处理//业务处理printf("服务器:业务处理\n");for(;;){//接受客户端发来的小写的串char buf[64] = {};ssize_t size = read(conn,buf,sizeof(buf)-1);if(size == -1){perror("read");return -1;}if(size == 0){printf("服务器:客户端断开连接\n");break;}//转成大写for(int i = 0;i < strlen(buf);i++){buf[i] = toupper(buf[i]);}//将转成大写的串回传客户端if(write(conn,buf,strlen(buf)) == -1){perror("write");return -1;}}printf("服务器:关闭套接字\n");close(conn);}close(sockfd);  return 0;
}#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<ctype.h> // toupper()
#include<sys/socket.h>//网络
#include<sys/types.h>//网络
#include<arpa/inet.h>//网络
#include<signal.h>
#include<sys/wait.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>
//信号处理函数,收尸
void sigchild(int signum){printf("服务器:捕获到%d号信号\n",signum);for(;;){pid_t pid = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);if(pid == -1){if(errno == ECHILD){printf("服务器:没有子进程\n");break;}else{perror("waitpid");return ;}}else if(pid == 0){printf("服务器:子进程在运行\n");break;}else{printf("服务器:回收了%d进程的僵尸\n",pid);}}
}int main(void){//捕获17号信号if(signal(SIGCHLD,sigchild) == SIG_ERR){perror("signal");return -1;}printf("服务器:创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");}//组织地址结构printf("服务器:组织地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8980);//ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.222.136");ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//接受任意IP地址的数据（服务器可能有多个地址）//绑定地址结构和套接字printf("服务器:绑定套接字和地址结构\n");if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser)) == -1){perror("bind");return -1;}//开启侦听 套接字 主动-->被动-->感知连接请求printf("服务器:启动侦听\n");if(listen(sockfd,1024) == -1){perror("listen");return -1;}for(;;){//等待并建立通信连接printf("服务器:等待并建立通信连接\n");struct sockaddr_in cli;//用来输出客户端的地址结构socklen_t len = sizeof(cli);//用来输出地址结构大小int conn = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&cli,&len);if(conn == -1){perror("accept");return -1;}printf("服务器:接收到%s:%hu的客户端的连接\n",inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port));//创建子进程 forkpid_t pid = fork();if(pid == -1){perror("fork");return -1;}//子进程服务业务处理//业务处理if(pid == 0){close(sockfd);printf("服务器:业务处理\n");for(;;){//接受客户端发来的小写的串char buf[64] = {};ssize_t size = read(conn,buf,sizeof(buf)-1);if(size == -1){perror("read");return -1;}if(size == 0){printf("服务器:客户端断开连接\n");break;}//转成大写for(int i = 0;i < strlen(buf);i++){buf[i] = toupper(buf[i]);}//将转成大写的串回传客户端if(write(conn,buf,strlen(buf)) == -1){perror("write");return -1;}}printf("服务器:关闭套接字\n");close(conn);return 0;//!!!!!!}//父进程代码,关闭通信套接字close(conn);//通信套接字（1个通信套接字对应1个客户端）}close(sockfd);//侦听套接字（整个服务器只有1个）return 0;
}//结合tcpcli,1台虚拟机做服务器执行本代码，另一台做客户端执行tcpcli

//tcpcli.c  基于的客户端
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<arpa/inet.h>int main(void){//创建套接字printf("客户端:创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");return -1;}//准备服务器的地址结构printf("客户端:准备服务器的地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8980);ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.222.136");//发起连接printf("客户端:发起连接\n");if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser)) == -1){perror("connect");return -1;}//业务处理for(;;){//通过键盘获取小写的串char buf[64] = {};fgets(buf,sizeof(buf),stdin);// ! 退出if(strcmp(buf,"!\n") == 0){break;            }//将小写的串发送给服务器if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0) == -1){perror("send");return -1;}//接受服务器回传大写的串if(recv(sockfd,buf,sizeof(buf)-1,0) == -1){perror("recv");return -1;}//显示printf("%s",buf);}printf("客户端:关闭套接字\n");close(sockfd);return 0;
}