TCP API

本文总阅读量次

TCP 网络编程API

网络通信概要

网络进程如何通信？首要解决如何标识一个进程，本地可以用PID来解决，而网络中用IP+端口号来唯一标识一个进程。这样利用(IP、端口号、PID)可以唯一标识一个网络中的进程。

socket起源于UNINX，UNINX哲学之一就是一切皆文件，有一个打开、读写、关闭的模式来操作。socket就是该模式的一个实现，socket就是一种特殊的文件。

使用TCP/IP的协议应用程序采用应用编程接口 UNINX BSD关键字来实现网络进程通信，目前几乎所有的应用程序都是使用socket，网络通信无处不在。其基本模式包括：

1546948869237

  1. 服务器根据地址类型（IPV4、IPV6）创建socket
  2. 服务器为socket绑定IP地址和端口号
  3. 服务器socket监听端口号请求，随时准备接受客户端的连接，这时候服务器socket并未打开
  4. 客户端创建socket
  5. 客户端打开socket，根据服务器IP和端口号试图连接服务器socket
  6. 服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开开始接受客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态
  7. 客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息
  8. 服务器accept方法返回，连接成功。
  9. 服务器向socket写入信息
  10. 服务器读取信息
  11. 客户端关闭
  12. 服务器关闭

仔细研究会发现，服务器和客户端连接的部分就是三次握手。

网络编程API

1. socket函数

1
int socket(int domain, int type, int protocol)

socket 函数对应于普通文件的打开操作，普通文件返回一个描述字，而socket创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket。

当调用socket时, 返回的描述他存在与协议族空间中，但是没有具体地址，如果想要赋予地址需要使用bind()函数。如果不绑定，系统会在使用时随机生成一个。

2. bind函数

bind() 函数把一个地址族中特定的地址赋给socket

1
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

3. listen 和 connect 函数

这两个函数相对应，服务器调用listen函数来监听端口，而客户端调用connect函数去发出连接请求

1
2
int listen(int sockfd, int backlog)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, docklen_t addrlen)

4. accept 函数

TCP 服务器依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监指定的socket地址了。而TCP客户端调用socket()、connect()之后就会向TCP服务器发送一个连接请求。TCP连接接收到这个请求之后，就会调用accept()函数接受请求，这样连接就建立了。

1
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)

注意：accept第一个参数为socket描述字，服务器调用socket生成的，称为监听socket关键字；而accept返回的是已连接socket关键字。一个服务器通常只创建一个监听socket描述字，这个描述子在服务器生命周期一直存在。内核为每个服务器接受的客户创建一个已连接socket关键字，当完成服务后就会关闭。

5. read 和 write 函数

read()函数从fd中读取内容，write写入内容。成功时返回字节数

6. close函数

1
int close(int fd);

TCP 协议选项

1. SO_REUSEADDR

一般来说一个端口释放后，大约两分钟才能再次使用（处于TIME_WAIT状态），而使用该选项可以使端口被释放后立即被使用（处于TIME_WAIT状态的端口）。

2. TCP_NODELAY/TCP_CHORK

网络拥塞领域，有一个非常著名的算法叫做Nagle算法， 这是以其发明人的名字命名的。John Nagle 首次用该算法解决福特公司的网络拥塞问题。该问题具体描述是：如果应用程序每次产生1Byte的数据，而这个1Byte的数据又以数据报的形式发送给网络服务器，那么很容易使得网络过载。所以传送1Byte的包却要花费40Byte的包头（IP20字节、TCP20字节）这种有效载荷利用低下的情况被称为愚蠢窗后症候群。

针对这问题，Nagle算法改进：如果发送少量字符包（小于MSS的包被称为小包，大于MSS的包被称为大包）发送端只会发送第一个小包，将后面的小包缓存起来。直到接收到前一个数据报的ACK为止，或当前字符较紧急，积攒了较多的数据。

TCP中Nagle算法默认启用，但是不使用任何情况。而TCP_NODELAY/TCP_CHORK字段控制了包的Nagle化。例如TCP_NODELAY便是直接把包发出去，这样用户体验会更好。

3. SO_LINGER

linger是延缓的意思，这里的延缓指close操作。默认close立即返回，但是当缓冲区还有部分数据时，系统会尝试将数据发送给对方。

4. TCP_DEAFER_ACCPET

实际上是接收到第一个数据包后，才会创建连接

5.SO_KEEPALIVE

SO_KEEPALIVE用来检测对方主机是否崩溃，避免服务器永远阻塞于TCP连接的输入

设置该选项后，如果2h内任何一方没有数据交换，TCP就会自动向对方发送一个保持存活探测，

  1. 对方接受正常，以ACK回应
  2. 对方已崩溃且重新启动，以RST响应，套接口错误置为restart，套接口本身被关闭
  3. 对方无响应，再次发送8个探测分节，11min15s 后无响应就放弃。

网络字节序与主机序

关于字节序再次讨论。不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是整数在内存中的保存顺序，称为主机序。最常见的两种 1 小端， 低序的字节存在起始位置 2 大端 ， 高字节的存在起始位置

小端法 地址低位存在值的低位，高位存值的高位。这种方式符合人的思维方式。

大端法 地址低位存高位的值。它很直观不需要考虑对应关系，只需要内存地址写出去即可

1547125473936

为什么要注意字节问题呢？C++编译平台的储存是由编译平台的CPU确定的，而JAVA编写的程序唯一采用大端法。所有网络协议都是大端法。其也被称为网络字节序。

封包和解包

TCP是一个流协议，所谓流就行没有界限的一串数据。但是通信程序是需要独立的数据包发送。

设想这样几种情况

  1. 先接收到data1 后接到 data2
  2. 先接收到data1 的部分数据，后接到data1的余下部分与 data2全部
  3. 先接收到了data1全部数据和部分data2数据，后接受到data余下数据
  4. 一次接受data1和data2全部数据

1是理想情况 而2、3、4即使粘包的情况，这时就需要拆包将受到的数据拆成独立的数据包。这种情况可能有这么几种原因。

1 由Nagle算法造成的粘包

2 接收端不及时接受造成的粘包

具体的解决办法便是封包和拆包。封包是给一段数据加上包头，这样数据就分为包头、包体两部分。包头包含了一个结构体成员变量表示了包体的长度，这样另一方便可以通过这个长度进行拆包；