connect及bind、listen、accept背后的三次握手

1、基于tcp协议的网络编程

基于 TCP 的网络编程开发分为服务器端和客户端两部分，常见的核心步骤和流程如下图所示：

 

 

 服务器和客户相关的socket建立之后，服务器调用bind()和listen（）方法，客户机调用connect（）方法，之后发生了三次握手，最终建立连接，服务器调用accent方法。

1.1、bind()

bind系统调用为socket绑定本地地址和本地端口号。函数声明是：

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

参数addr是通用的sockaddr结构，对于AF_INET（Internet）域的协议，使用的是sockaddr_in结构。它们的定义如下：

/* Structure used by kernel to store most addresses. */
struct sockaddr {
    u_char    sa_len;            /* total length */
    u_char    sa_family;        /* address family */
    char    sa_data[14];        /* actually longer; address value */
};
 
/* Socket address, internet style. */
struct sockaddr_in {
    u_char    sin_len; /*地址长度*/
    u_char    sin_family; /*协议族AF_INET*/
    u_short    sin_port; /*端口号*/
    struct    in_addr sin_addr; /*IP地址*/
    char    sin_zero[8];
};

对于服务器应用，我们通常把sockaddr_in结构里的sin_addr成员设置成htonl(INADDR_ANY)，表示绑定本地所有的IP地址到这个socket上。这个特殊的地址也通常用'*'表示，意指匹配所有的本地IP地址。

1.2、listen（）

对于服务器，它是被动连接的。举一个生活中的例子，通常的情况下，移动的客服（相当于服务器）是等待着客户（相当于客户端）电话的到来。而这个过程，需要调用listen()函数。

#include
int listen(int sockfd, int backlog);

listen() 函数的主要作用就是将套接字( sockfd )变成被动的连接监听套接字（被动等待客户端的连接），至于参数 backlog 的作用是设置内核中连接队列的长度（这个长度有什么用，后面做详细的解释），TCP 三次握手也不是由这个函数完成，listen()的作用仅仅告诉内核一些信息。
这里需要注意的是，listen()函数不会阻塞，它主要做的事情为，将该套接字和套接字对应的连接队列长度告诉 Linux 内核，然后，listen()函数就结束。
这样的话，当有一个客户端主动连接（connect()），Linux 内核就自动完成TCP 三次握手，将建立好的链接自动存储到队列中，如此重复。
所以，只要 TCP 服务器调用了 listen()，客户端就可以通过 connect() 和服务器建立连接，而这个连接的过程是由内核完成。

1.3、connect（）

对于客户端的 connect() 函数，该函数的功能为客户端主动连接服务器，建立连接是通过三次握手，而这个连接的过程是由内核完成，不是这个函数完成的，这个函数的作用仅仅是通知 Linux 内核，让 Linux 内核自动完成 TCP 三次握手连接（下文有介绍），最后把连接的结果返回给这个函数的返回值（成功连接为0， 失败为-1）。

1.4、accept（）

accept()函数功能是，从处于 established 状态的连接队列头部取出一个已经完成的连接，如果这个队列没有已经完成的连接，accept()函数就会阻塞，直到取出队列中已完成的用户连接为止。

2、三次握手

 

 

 2.1、过程分析

 第一次握手

客户端向服务器发出连接请求报文，这时报文首部中的同部位SYN=1，同时随机生成初始序列号 seq=x，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。这个三次握手中的开始。表示客户端想要和服务端建立连接。

第二次握手

TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己随机初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。这个报文带有SYN(建立连接)和ACK(确认)标志，询问客户端是否准备好。

第三次握手

TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。

三次握手的连接队列：

这里详细的介绍一下 listen() 函数的第二个参数（ backlog）的作用：告诉内核连接队列的长度。
为了更好的理解 backlog 参数，我们必须认识到内核为任何一个给定的监听套接口维护两个队列：
1、未完成连接队列（incomplete connection queue），每个这样的 SYN 分节对应其中一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的 TCP 三次握手过程。这些套接口处于 SYN_RCVD 状态。
2、已完成连接队列（completed connection queue），每个已完成 TCP 三次握手过程的客户对应其中一项。这些套接口处于 ESTABLISHED 状。

当来自客户的 SYN 到达时，TCP 在未完成连接队列中创建一个新项，然后响应以三次握手的第二个分节：服务器的 SYN 响应，其中稍带对客户SYN 的 ACK（即SYN+ACK），这一项一直保留在未完成连接队列中，直到三次握手的第三个分节（客户对服务器 SYN 的 ACK ）到达或者该项超时为止（曾经源自Berkeley的实现为这些未完成连接的项设置的超时值为75秒）。如果三次握手正常完成，该项就从未完成连接队列移到已完成连接队列的队尾。backlog 参数历史上被定义为上面两个队列的大小之和，大多数实现默认值为 5，当服务器把这个完成连接队列的某个连接取走后，这个队列的位置又空出一个，这样来回实现动态平衡。

2.2、内核调用过程