TCP/TP协议网络编程

1.网络编程含义:本质是两个设备之间的数据交换。基于请求/响应方式。发送请求的为客户端系统,等待请求的为服务器系统。两者一旦建起连接,就可以传输送数据。

每一个计算机可以有多个网卡设备,每一个网卡有一个唯一的IP地址。同一个网络内部,不能有重复的IP地址。域名与IP地址一一对应由DNS转化。

计算机可以运行多个程序,规定一个设备可以有65536个端口,每一个端口对应一个唯一的程序。实际编程时采用1024以后的端口。使用端口可以找到一台设备上唯一的一个程序,并与之交换数据。

数据传输方式:不管有线还是无线。TCP:只需建立一次连接就可以多次传输。传输速度不快。

UDP:用户数据报协议方式,不建立稳定连接,每次发送数据都直接发送。发送多次就要多次连接类似短信,数据有可能

收不到,开销小,数据有可能会丢失。

协议:传输数据的格式。

基于socket网络编程:系统调用socket(),返回套接字描述符来调用send()和recv()。世界有多种套接字。封装概念。

Internet套接字:STREAM流套接字,例如TCP,数据报DATAGRAM套接字例如UDP。优点是

写一个套接字程序而不用关心数据的物理传输(串行,以太网,连接单元接口,usb接口等)。

两种字节排列顺序:网络字节顺序=重要字节在前面,非网络字节顺序=本机字节顺序。

socket()函数返回一个整形socketfd,bind()函数绑定本机合适的端口,有connect可不用。

connect函数,与目的IP地址链接,自动分配本机端口。listen()函数不与远程IP地址相连,只是等待

接受或者说监测该IP地址的端口。accept告诉对方有空闲链接,,返回一个新的套接字文件描述符。原来的一个还在监听该端口

,现在这一个套接字准备发送send和接受recv数据。closed和shuatdown函数关闭套接字描述符 

阻塞:一直在等待数据的到来。不停运行。select()同时监视多个套接字的读,写,例外状态。

TCP/IP协议包含许多协议,重点讲TCP协议。以太网数据包大小固定1500多字节,TCP数据包为1400字节左右。发送一个10M的文件需要发送7100个包。TCP协议为包进行编号。第一个包的编号为随机数。每个数据包有自身包编号还有下一个包的编号,根据包的负载来决定。组装和还原均有系统完成,应用程序不管。持续接收TCP数据包,管理好。TCP包里

有一个端口参数,就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。

务器发送数据包,当然越快越好,最好一次性全发出去。但是,发得太快,就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话,发得越快,丢得越多。TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一,设计了一个慢启动(slow start)机制。开始的时候,发送得较慢,然后根据丢包的情况,调整速率:如果不丢包,就加快发送速度;如果丢包,就降低发送速度。

TCP慢启动

刚开始通信的时候,发送方一次性发送10个数据包,即”发送窗口”的大小为10。然后停下来,等待接收方的确认,再继续发送。

默认情况下,接收方每收到两个 TCP 数据包,就要发送一个确认消息。”确认”的英语是 acknowledgement,所以这个确认消息就简称 ACK。ACK 携带两个信息:期待要收到下一个数据包的编号,接收方的接收窗口的剩余容量。

发送方有了这两个信息,再加上自己已经发出的数据包的最新编号,就会推测出接收方大概的接收速度,从而降低或增加发送速率。这被称为”发送窗口”,这个窗口的大小是可变的。

TCP可以双向通信,双方均发送ACK。如果包丢失,那么ACK的编号就不会变化,发送方就会收到大量重复内容的ACK,就会

确认丢包,TCP就会再次发送该包。

TCP的三次连接:TCP报头主要包括:序号,确认号,标志位。在发送数据之前。

序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。

确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1期待下一个包的序号。

标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:

  (A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
  (B)ACK:确认序号有效。
  (C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  (D)RST:重置连接。
  (E)SYN:发起一个新连接。
  (F)FIN:释放一个连接。

  1. 请求端(通常称为客户)发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口,以及初始序号(ISN,在这个例子中为1415531521)。这个SYN段为报文段1。
  2. 服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段(报文段2)作为应答。同时,将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
  3. 客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)。搞清楚到底连接时发送的是喊什么?

1)第一次握手:Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。
  (2)第二次握手:Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。
  (3)第三次握手:Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中,这一过程由客户端执行connect来触发。

TCP四次挥手:

由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。
 (1)第一次挥手:Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。Client不会再发送数据。
  (2)第二次挥手:Server收到FIN后,发送一个ACK给Client,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号),Server进入CLOSE_WAIT状态。SERVER不会再接收数据
 (3)第三次挥手:Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。SERVER不会再发送数据
  (4)第四次挥手:Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。Client不会再接收数据。一共要发送四个包的数据。

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