Linux网络编程 深入解析Linux TCP：TCP实操，三次握手和四次挥手的底层分析
知识点1【TCP编程概述】
1、TCP的概述
客户端：主动连接服务器，和服务器进行通信
服务器：被动被客户端连接，启动新的线程或进程，服务器客户端（并发服务器）
这里重复TCP和UDP特点
TCP（传输控制协议）：是一种靠谱的传输层协议，
买电话 买电话卡 开声音 按下接听
知识点2【TCP客户端编程】
1、创建TCP套接字
SOCK_STREAM
socket函数创建的TCP套接字，没有端口，且默认是主动连接特性
2、connect函数连接服务器
#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
功能介绍
客户端主动发出与TCP服务器的连接（三次握手）
参数
sockfd：客户端套接字
addr：只想服务器的地址结构体
addrlen：地址结构体的长度
返回值
成功：0
失败：返回-1
注意
TCP客户端通信之前，必须实现 建立和服务器之间的连接
connect连接成功一个服务器，不能再次连接其他服务器
inet_addr()（补充函数，平替pton）函数仅支持IPv4
如果socket没有固定端口，在调用connect时系统自动分配随机端口为源端口
connect实际上是带阻塞的，需要三次握手
3、send发送消息
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
功能介绍
通过已连接套接字发送数据
参数
sockfd：已连接套接字（下面accept函数中会介绍）
buf：带发送数据的缓冲区指针
len：要发送的字节数
flags：控制标志
MSG_OOB：发送带外数据（紧急数据）。MSG_DONTWAIT：非阻塞发送（立即返回）。MSG_NOSIGNAL：禁止发送SIGPIPE信号。
返回值
成功：返回实际发送的字节数
失败：返回-1
注意
TCP不能发出0长度报文，但是UDP可以。
4、recv接收数据（默认阻塞）
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
功能介绍
从已连接套接字接收数据
参数
sockfd：已连接套接字
buf：接收数据的缓冲区指针
len：缓冲区最大容量
falgs：控制标记
返回值
成功：返回实际接收到的字节数
失败：返回-1
注意
recv如果收到0长度报文，表明对方已经断开连接，因此我们使用send的时候，不能发送0长度报文
只要一方关闭，另外一方就会收到0长度报文
知识点3【TCP服务器编程】
我们先把服务器的过程形象化：
1、socket() 买手机
2、bind() 买电话卡
3、listen() 打开声音
4、accept() 接听
1、作为服务器的条件
1、需要为服务器绑定一个固定的端口、IP（连接作用）
2、让操作系统知道这是一个服务器，而不是客户端
（使用listen函数让服务器具备监听功能，使套接字由主动变被动）
3、等待客户端的连接到来，使用accept提取到来的客户端
2、listen监听函数
#include <sys/types.h> /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);
功能介绍
将套接字设为被动监听模式，等待客户端连接
参数
sockfd：套接字
backlog：连接队列的最大长度
返回值
成功：0
失败：-1
函数功能详解（底层）
1、将sockfd由主动变被动，并且对sockfd进行监听客户端连接的到来
2、backlog是连接队列的大小，表示客户端的最大个数
连接队列大小分析：
1、在listen后，在TCP服务器中，套接字改称为监听套接字，所有客户端想要连接，就需要向这个客户端发送连接请求
2、客户端发出连接请求（connect），TCP的server就会创建一个连接队列
3、连接队列又会分为两部分，但是总大小是上面对应的个数
（1）完成连接——三次握手之后
（2）未完成连接——三次握手完成之前
图形解析
这里说一个早期的一个攻击手段：SYN洪流攻击
就是一直发送低于三次握手信号（半成品），这样的信号全部在连接队列的未完成连接中存储，服务器也无法处理，当达到连接队列的最大值后，正常连接反而进不去连接队列。
这里
我们写监听函数，并阻塞，查看其网络状态
netstate -anp | grep a.out
可以看到此时处于监听状态（想系统说明此时是一个服务器）
3、accept提取客户端的连接（阻塞）
#include <sys/socket.h>int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address,socklen_t *restrict address_len);
函数功能
accept只能从 连接队列 中 处于 完成连接部分 中提取连接
将提取到的该客户端的信息存到addr中
将提取到的该客户端从连接队列中删除
参数
sockfd：监听套接字
addr：存放的是 客户端 的地址信息
addrlen：地址结构体的长度的地址
返回值
成功：返回一个已连接套接字，这个套接字才代表服务器和该客户端的连接端点（真正和客户端的连接）
解释：如果服务器想要和该客户端通信，就需要向这个 已连接套接字 中读写
失败：返回-1
注意
调用一次，只能提取一个客户端对应的连接，如果连接队列没有客户端连接，将阻塞
因为是从 连接队列 中提取的原因，遵循先进先出的原则
验证一下：通过两个客户端，都连接我们写的服务器，会发现只有一个能发送
TCP服务器代码演示
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//创建监听套接字int fd_sock_lis = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(fd_sock_lis < 0){perror("socket_lis");_exit(-1);}//绑定固定端口 这里我们设置为8000struct sockaddr_in addr_bind;bzero(&addr_bind,sizeof(addr_bind));addr_bind.sin_family = AF_INET;addr_bind.sin_port = htons(8000);addr_bind.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);int ret_bind = bind(fd_sock_lis,(struct sockaddr *)&addr_bind,sizeof(addr_bind));if(ret_bind < 0){perror("bind");_exit(-1);}//监听 参数：监听套接字，连接队列的个数int ret_listen = listen(fd_sock_lis,10);if(ret_listen == -1){perror("listen");_exit(-1);} //提取客户端连接，已连接套接字的创建,已连接套接字理解为通信端口的一端//服务器通过操作这个已连接套接字与客户端进行联系struct sockaddr_in addr_accept;bzero(&addr_accept,sizeof(addr_accept));int len_accept = sizeof(addr_accept);int fd_sock_connect = accept(fd_sock_lis,(struct sockaddr *)&addr_accept,&len_accept);if(fd_sock_connect < 0){perror("accept");_exit(-1); }//接收数据，从已连接套接字中接收char arr_recv[256] = "";recv(fd_sock_connect,arr_recv,sizeof(arr_recv),0);//处理 客户端端口 的信息int port_client = ntohs(addr_accept.sin_port);char ip_client[16] = "";inet_ntop(AF_INET,&addr_accept.sin_addr.s_addr,ip_client,sizeof(ip_client));//遍历接收到的信息printf("从IP：%s的%d端口，获取的数据是%s\\n",ip_client,port_client,arr_recv);//发送应答send(fd_sock_connect,"ok",sizeof("ok"),0);//关闭 所有套接字close(fd_sock_connect);close(fd_sock_lis);return 0;
}代码运行结果
知识点4【close关闭套接字】
当客户端用完后会调用close套接字，服务器也要关闭套接字（监听套接字，已连接套接字）
1、作为客户端
close（套接字），断开当前的连接，导致服务器收到0长度报文
2、作为服务器
close（监听套接字），该服务器不能监听新的连接的到来，但是不影响已连接客户端的通信
close（已连接套接字），只是断开当前客户端的连接，不会影响监听套接字（服务器可以继续监听新的连接的到来）
这里我们形象化一下
形象化理解
媒婆 监听套接字
小帅 客户端套接字
小美 已连接套接字
小帅找媒婆介绍对象，媒婆有个名单，把小美介绍给了小帅，小美和小帅分还是合，最后不会影响媒婆招揽其他生意
如果媒婆不想干媒婆这一行了，去转学嵌入式了，也不会影响小帅和小美的关系
3、下面内容前提
握手，挥手都涉及到底层，我们需要用抓包的操作来了解这一过程，我这里用的抓包工具是 wireshark
这是 我使用的抓包工具获取的上面的发送过程
由于我的 图不太好识别
我用我老师当时的抓包图片（很标准的三次握手，数据通信，四次挥手抓包过程）
我们分为三个流程 1、三次握手，2、数据通信，3、四次挥手 这里大家先看一下总的流程图，流程图是当时老师画的，我感觉很牛，这里直接使用了
知识点4【三次握手】（重要 背！！）
当客户端调用connect连接服务器，底层会完成三次握手信号，此时客户端阻塞，当三次握手信号完成，connect才会解除阻塞往下执行
三次握手的发起者 是客户端
1、TCP的头部
这里先介绍一下 TCP的头部
1、SYN：置1，表示报文是 连接请求报文
2、FIN：置1，表示报文是 关闭请求报文
3、ACK：置1，表示报文是 回应（应答）报文
4、URG：置1，表明紧急指针字段有效，告诉操作系统此报文内有紧急数据，请尽快传送
5、PUSH：置1：推送报文
6、RST：置1：复位连接
注意
序列号：seq，当前报文的编号。
确认序号：当前报文希望接下来对方发送的报文编号
ack（确认序号）数据分析
1、当无数据时，ack = 对方原编号 + 1
2、当 有数据时，ack = 对房源编号 + 接收到数据长度
2、三次握手
分析过程
1、当客户端调用connect后，底层发送SYN连接请求
此时seq = 0，ack = 0
2、服务器收到客户端发出的SYN请求，服务器给客户端回应SYN和ACK应答
此时seq = 1，ack = 1（无数据）
3、客户端接收到服务器发送的SYN请求后，向服务器发送ACK应答
此时seq = 1，ack = 1（原本服务器seq = 0，无数据+1后为1）
形象化理解
小帅给小美表白
小帅：我喜欢你（SYN）
小美：我知道（ACK），我也喜欢你（SYN）
小帅：其实我也知道（ACK）
3、分析通信过程
这里客户端发送的时”hello ack“，服务器应答我们设置的时”ok”
现在我们分析一下（每个红线是一个步骤）
分析过程
1、客户端和服务器经过三次握手后已经 完成连接（连接列表），客户端向服务器发送”hello ack“
这里有一个技巧：连续的线都是一个方向时，线对应的seq和ack是一样的
此时seq = 1，ack = 1，len = 9
2、服务器收到数据后，及其长度，发出ACK应答
此时seq = 1（与上面的ack相对应），ack = 10（ 1+len（9））
3、服务器发送数据“ok”后，客户端接收
此时seq = 1，ack = 10（线 连续且方向一样），len = 2
4、客户端接收数据，发出ACK应答
此时seq = 10，ack = 3
确认序号的作用
1、当发送端数据时500位的时候，接收时仅收到了256位
此时len = 500，但实际发送的时候 接受到的长度的时256
这时，ack的值位 对方原序号码 + 256
接收端收到后，用ack - 原序号吗算出 接收数据长度，发现与发送数据长度不同，底层会处理后，继续发送没有接收的数据。
2、检验是否发生错误传输，这里不多介绍
4、四次挥手
这里补充一个概念：FIN标志位置1的前提是调用close函数
服务器和客户端都可以先退出，一般都是客户端先退出
分析过程
1、当客户端调用close（套接字）函数，触发底层发出FIN断开连接的请求。
2、服务器收到FIN关闭请求，做出ACK应答（服务器进入CLOSE_WAIT状态）。
CLOSE_WAIT状态是指对方套接字已经关闭，等待 服务器 已连接套接字关闭，即调用close（对应已连接套接字）
3、服务器应用层调用close函数后，触发底层发送FIN。
4、客户端收到FIN请求，回应ACK。
以上内容依次是四次挥手
下面我想补充说明一些知识点
补充（重要）
1、细心的同学已经发现了，在第三次回收后，客户端的状态时TIME_WAIT，它在等上面？
第四次回收 涉及到服务器到CLOSE的关闭状态的转换，因此需要保证其正确执行
TIME_WAIT等待是有时间时间限制的，在规定时间内，发现服务器没有重发FIN（即二次挥手），就意味着，ACK（第四次挥手）已经成功被服务器收到，客户端也会变为CLOSE状态。
如果在规定时间内，客户端又收到了（第三次挥手），表明出现了问题，此时客户端会再次四次挥手，然后重复等待。
2、补充问题（技术面常问问题 ）
（1）为什么要四次挥手，而不能向三次握手一样，在第二次握手中一起将ACK和SYN一起发送给客户端？
因为第三次挥手的触发条件是，等待服务器调用close（已连接套接字），有一个等待的过程，因此不能和ACK一起发送。
（2）客户端都已经调用了close为什么还能执行 四次挥手的操作？
因为close只是关闭客户端中的套接字，此时是半关闭状态，仅关闭这个套接字应用层的数据的收发，而将FIN，ACK这些标志位置1的操作，是在底层实现的，并不是close负责的，因此可以执行四次挥手的操作。
5、状态转换
在图中大家可以看到有很多状态，下面介绍一下这些状态都是什么
下面是状态转换流程图
介绍
红色是服务器的状态转换图，蓝色是客户端的状态转换图
结束
代码重在练习！
代码重在练习！
代码重在练习！
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