浅析TCP通信原理
TCP通信
TCP
是面向连接的通信，所以在通信之前，客户端与服务器端必须通过三次握手建立连接，然后在通信完毕，还要通过四次挥手断开连接。
（一）相关函数
1.创建套接字
domain
：地址类型，
ipv4
、
ipv6
、
unix
的地址类型分别定义为常数
AF_INET
、
AF_INET6
、
AF_UNIX.
type
：socket传输类型，tcp通信是面向字节流的，所以为SOCK_STREAM
在网络通信时，我们的数据要从本主机通过网络发送到对端主机，数据在内存中存放的形式有大端或者小端两种形式，所以在向网络中传输数据是，网络就要按照一定的规定收发数据。
TCP/IP协议规定，网络字节流应按照大端字节流，即低地址高字节。
网络数据流的地址规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高低址，因为网络字节流为大端，也就是先发送数据的高位字节，在发送低位字节。
2.为了代码的可移植性，下面库函数为实现网络字节序列到主机字节序列的转换。
h = host主机
n = network网络
l = 长整形
s = 短整形
htonl代表主机字节序转换成网络字节序
3.将套接字与socket结构体绑定，socket结构体会指定ip，端口号，还有地址类型
一般服务器的端口号和ip是绑定的，众所周知的，而客户端的端口号可以随机分配的
IPV4 struct sockaddr_in 结构体的结构
IP地址+端口就称为socket，所以socket的结构体内包含有ip 和端口号
struct in_addr {
__be32 s_addr;
};
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* Address family */
__be16 sin_port; /* Port number */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address */
/* Pad to size of `struct sockaddr'. */
unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};
sin_family
:地址类型，
ipv4
、
ipv6
、
unix
的地址类型分别定义为常数
AF_INET
、
AF_INET6
、
AF_UNIX.
地址类型的作用
：因为在不同的环境下
socket
的数据结构不同，
ipv4
使用的
struct sockaddr_in
，而
ipv6
使用的是
struct sockaddr_in6
。但在网络编程里的许多函数需要传参
sockaddr
结构体，
Struct sockaddr
结构体类型就如同
void*
类型，它可以接受任意类型的结构体，所以在传参时就不需要知道具体的
socket
结构体类型，可以给根据地址类型来确定结构体的内容。
Sockeaddr
数据结构
4.将sockfd设置为监听套接字，并通过参数2是指明最多可以监听多少个套接字。
监听套接字的作用：server服务器启动后，会源源不断的有客户端来连接，这时候就需要一个监听套接字，来把一个个来访的socket按顺序存起来，并按顺序交给accept的去处理并返回newsockfd去收发数据，这样做可以保证在server满负荷的处理其他socket时，其他客户端要访问服务器时，可以通过监听队列等待一会，有其他客户端断开连接了，他就可以连接了。
5.
阻塞式等待客户端连接，监听套接字一直在监听是否有新连接到来连接，如果有链接则接受对方连接，连接之后由返回值new_sock收发数据
。
new_sock(1) = accept(监听套接字(2)，struct socket_in输出型参数(3)，输入输出型参数(4))
6.
client不需要被别人连接，只需要连接别人，所以使用connect来连接服务器
（二）TCP
通信的基本原理
三次握手建立连接：
server
端调用socket(),bind(),listen()创建监听套接字并完成初始化，然后调用accept()阻塞式等待客户连接。客户端创建一个套接字初始化后，调用connect连接server，连接过程：调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答（client：我想要连接你），服务器应答一个SYN-ACK（server：好，我准备好了，你连接吧），客户端收到从connect()返回，同时应答一个ACK给server(client:太好了，我连接好了)，服务器收到ACK，从accept返回。
数据传输过程：建立连接后，TCP可以提供全双工的通信，server先读再写，client先写在读，用read()和write()阻塞式的等待一个写一个读。一直循环下去。
四次挥手关闭连接：假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接受对方的数据。
（三）代码实现
server.c
clude
#include /* See NOTES */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define _BACKLOG_ 10
int GetSocket(int port)
{
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock<0){
perror("socket");
exit(1);
}
printf("%d:socket create is ok\n", sock);
struct sockaddr_in server;
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(port);
server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //INADDR_ANY这个宏代表本地的任意ip地址，
//因为本地可能多个网卡。这个宏的值为0
if(bind(sock, (struct sockaddr*)&server,sizeof(server))<0){
perror("bind");
close(sock);
exit(2);
}
printf("bind is ok\n");
if(listen(sock, _BACKLOG_)< 0){
perror("listen");
close(sock);
return 3;
}
printf("listen is ok\n");
return sock;
}
void use(char *a)
{
printf("#%s [port_server]\n", a);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("main start\n");
if(argc<2)
{
use(argv[0]);
return 6;
}
printf("use is ok\n");
int listen_sock = GetSocket(atoi(argv[1]));
printf("GetSocket is ok\n");
struct sockaddr_in client;
socklen_t len = sizeof(client);
printf("wait accept....\n");
while(1)
{
int new_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client, &len);
if(new_sock< 0)
{
perror("accept");
close(new_sock);
return 4;
}
printf("[%s][%d]:accept is ok\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
close(new_sock);
printf("process creation failed\n");
continue;
}else if(pid == 0){
close(listen_sock);
if(fork()>0){//fork()两次，使得孙子进程变成孤儿进程受init回收，父进程直接回收子进程，解决父进程阻塞问题
exit(2);
}
else{
while(1)
{
fflush(stdout);
char buf[1024];
ssize_t i = read(new_sock, buf, sizeof(buf));
if(i>0){
printf("[%s][%d]:client say#%s\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port),buf);
}else if(i == 0){
close(new_sock);
printf("[%s][%d]:client goodbye\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
break;
}else{
perror("read");
break;
}
printf("Enter to [%s][%d]#",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
fflush(stdout);
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
buf[strlen(buf)-1] = '\0';
write(new_sock, buf, strlen(buf));
}
}
}else{
close(new_sock);
waitpid(pid,NULL,0);
}
}
close(listen_sock);
return 0;
}
client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void use(char *argv)
{
printf("#%s [ip_server] [port_srvera]\n", argv);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("main start\n");
if(argc<3)
{
use(argv[0]);
return 3;
}
printf("use is ok\n");
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock<0){
perror("socket");
return 1;
}
printf("create socket is ok\n");
struct sockaddr_in server;
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port =htons(atoi( argv[2]));
server.sin_addr.s_addr = inet_addr((argv[1]));
int conn = connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
if(conn<0){
perror("connect");
close(sock);
return 2;
}
while(1)
{
printf("please enter#");
fflush(stdout);
char buf[1024];
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
buf[strlen(buf)-1] = '\0';
write(sock, buf, sizeof(buf));
char* str = "quit";
if(strcmp(buf, str)==0){
break;
}
printf("server echo#");
fflush(stdout);
ssize_t r2 = read(sock, buf, sizeof(buf));
if(r2>0) {
printf("%s\n",buf);
}else{
continue;
}
}
close(sock);
printf("client goodbye!!!\n");
return 0;
}
（四）存在问题：
但是在运行的时候发现一个问题，server启动后，然后启动client建立连接后，然后直接ctrl+c终止掉server，无法立即重启，必须等待半分钟才能重新启动。如下图
这是因为在四次挥手断开连接时，主动断开的一方会进入TIME_WAIT状态，这是server还没有完全断开连接，还占着8080号端口，所以再次启动时创建监听套接字就无法在绑定上8080号端口。
但是这是不合理的，因为在实际生活中，服务器一旦挂了，不能立即重启，可能会影响许多客户的体验，会造成很大的损失，那么如何解决。
解决：
解决这个问题的方法是使用setsockopt()设置socket描述符的，设置选项SO_REUSEADDR为1，表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。在server代码的socket()和bind()之间插入。