一文讲透TCP三次握手到底怎么实现的

2021-02-23 15:50:32 浏览数 (1)

怎么使用这些套接字格式完成连接的建立？

1 服务端准备连接

1.1 创建套接字

要创建一个可用的套接字，需要使用下面的函数：

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int socket(int domain, int type, int protocol)
  • domain PF_INET、PF_INET6以及PF_LOCAL等，即套接字类型
  • type
    • SOCK_STREAM 字节流，对应TCP；
    • SOCK_DGRAM 数据报，对应UDP；
    • SOCK_RAW 原始套接字。
  • protocol 原本用来指定通信协议，但现在基本废弃。因为通过前面两个参数已经指定协议。所以protocol一般写成0即可。

1.2 bind

创建的socket如果需要被使用，就需要调用bind函数把socket和socket地址绑定。

调用bind函数的方式如下：

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bind(int fd, sockaddr * addr, socklen_t len)
  • sockaddr * addr 通用地址格式，传入的参数可能是IPv4、IPv6或本地socket格式。
  • len 传入的地址长度，bind函数会根据该字段判断传入的参数addr怎么解析。

可以把bind函数理解成这样：

代码语言：javascript复制
bind(int fd, void * addr, socklen_t len)

不过BSD设计socket的时候大约是1982年，那时C语言还没void *语法，为解决该问题，BSD的设计者们创造性地设计了通用地址格式来作为支持bind和accept等这些函数的参数。

对于使用者，每次需将IPv4、IPv6或本地socket格式转化为通用socket格式，就像下面的IPv4 socket地址格式：

代码语言：javascript复制
struct sockaddr_in name;
bind (sock, (struct sockaddr *) &name, sizeof (name)

对实现者，可根据该地址结构的前两个字节判断出是哪种地址。为处理可变长结构，需要读取函数里的len参数，即可解析和判断地址。

设置bind时，对地址和端口可以有多种处理方式。 可将地址设置成本机IP地址，等于告诉os内核，仅处理目标IP是本机IP地址的IP包。 但我们写代码时并不知道将会被部署到啥机器，通配地址解决该问题，告诉os内核只要目标地址是咱们的都可以。比如一台机器有两块网卡，IP地址分别是202.61.22.55和192.168.1.11，那么向这两个IP请求的请求包都会被我们的程序处理。

配置通配地址

  • IPv4，使用INADDR_ANY
  • IPv6，使用IN6ADDR_ANY
代码语言：javascript复制
struct sockaddr_in name;
/* IPV4通配地址 */
name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY);

端口

如果把端口设置成0，就相当于把端口的选择权交给内核，内核会根据一定的算法选择一个空闲的端口，完成套接字的绑定。这在服务器端不常使用。

一般来说，服务器端的程序一定要绑定到一个众所周知的端口上。服务器端的IP地址和端口数据，相当于打电话拨号时需要知道的对方号码，如果没有电话号码，就没有办法和对方建立连接。

我们来看一个初始化IPv4 TCP 套接字的例子:

代码语言：javascript复制
#include 
#include 
#include 
#include 


int make_socket (uint16_t port)
{
  int sock;
  struct sockaddr_in name;


  /* 创建字节流类型的IPV4 socket. */
  sock = socket (PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (sock < 0)
    {
      perror ("socket");
      exit (EXIT_FAILURE);
    }


  /* 绑定到port和ip. */
  name.sin_family = AF_INET; /* IPV4 */
  name.sin_port = htons (port);  /* 指定端口 */
  name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); /* 通配地址 */
  /* 把IPV4地址转换成通用地址格式，同时传递长度 */
  if (bind (sock, (struct sockaddr *) &name, sizeof (name)) < 0)
    {
      perror ("bind");
      exit (EXIT_FAILURE);
    }


  return sock
}

listen：接上电话线，一切准备就绪。

bind函数只是让socket和地址关联。如果要让别人打通电话，还需要我们把电话设备接入电话线，让服务器真正处于可接听状态，这就需要listen函数。

初始化创建的socket，之后会主动发起请求（通过调用connect函数）。通过listen函数，可以将原来的"主动"socket转换为"被动"socket，告诉操作系统内核：“我这个socket是用来等待用户请求的。”当然，操作系统内核会为此做好接收用户请求的一切准备，比如完成连接队列。

listen函数原型：

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int listen (int socketfd, int backlog)
  • socketfd socket描述符
  • backlog 未完成连接队列的大小，即可以接收的并发数目。越大，并发数理论上越大。但参数过大也会占用过多系统资源，所以Linux并不允许对这个参数进行改变。

accept

当客户端的连接请求到达时，服务器端应答成功，连接建立，这时内核需把该事件通知到应用程序，让应用程序感知到这个连接。

accept这个函数的作用就是连接建立之后，内核和应用程序之间的桥梁。它的原型是：

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int accept(int listensockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen)
  • listensockfd 套接字，通过bind，listen一系列操作而得到的套接字。返回值有两部分，cliadd是通过指针方式获取的客户端的地址，addrlen地址的大小 函数的返回值，代表与客户端的连接。

两个socket描述字：

  • 输入参数，监听socket描述字listensockfd
  • 返回的已连接socket描述字

为什么要把两个套接字分开呢？ 网络程序需要并发处理，不可能一个应用程序运行后只能服务一个客户。

所以监听socket一直都存在，服务成千上万的客户，直到这个监听socket关闭。一旦一个客户和服务器连接成功，完成了TCP三次握手，操作系统内核就为这个客户生成一个已连接套接字，让应用服务器使用这个已连接套接字和客户进行通信处理。如果应用服务器完成了对这个客户的服务，比如一次网购下单，一次付款成功，那么关闭的就是已连接套接字，这样就完成了TCP连接的释放。请注意，这个时候释放的只是这一个客户连接，其它被服务的客户连接可能还存在。最重要的是，监听套接字一直都处于“监听”状态，等待新的客户请求到达并服务。

客户端发起连接的过程

第一步建立一个套接字，不一样的是客户端需要调用connect发起请求。

connect

客户端和服务器端的连接建立，是通过connect函数完成的。这是connect的构建函数：

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int connect(int sockfd,
			const struct sockaddr *servaddr,
			socklen_t addrlen)
  • sockfd 连接套接字，通过前面讲述的socket函数创建
  • servaddr、addrlen 指向套接字地址结构的指针和该结构的大小。 套接字地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号。

客户在调用函数connect前不必非得调用bind函数，如果需要，内核会确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口。

如果是TCP套接字，那么调用connect函数将激发TCP的三次握手过程，而且仅在连接建立成功或出错时才返回。其中出错返回可能有以下几种情况：

三次握手无法建立，客户端发出的SYN包没有任何响应，于是返回TIMEOUT错误。这种情况比较常见的原因是对应的服务端IP写错。 客户端收到了RST（复位）回答，这时候客户端会立即返回CONNECTION REFUSED错误。这种情况比较常见于客户端发送连接请求时的请求端口写错，因为RST是TCP在发生错误时发送的一种TCP分节。产生RST的三个条件是：目的地为某端口的SYN到达，然而该端口上没有正在监听的服务器（如前所述）；TCP想取消一个已有连接；TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节。 客户发出的SYN包在网络上引起了"destination unreachable"，即目的不可达的错误。这种情况比较常见的原因是客户端和服务器端路由不通。 根据不同的返回值，我们可以做进一步的排查。

著名的TCP三次握手: 这一次不用背记

你在各个场合都会了解到著名的TCP三次握手，可能还会被要求背下三次握手整个过程，但背后的原理和过程可能未必真正理解。我们刚刚学习了服务端和客户端连接的主要函数，下面结合这些函数讲解一下TCP三次握手的过程。这样我相信你不用背，也能根据理解轻松掌握这部分的知识。

这里我们使用的网络编程模型都是阻塞式的。所谓阻塞式，就是调用发起后不会直接返回，由操作系统内核处理之后才会返回。 相对的，还有一种叫做非阻塞式的，我们在后面的章节里会讲到。

TCP三次握手

服务器端通过socket，bind和listen完成了被动套接字的准备工作，被动的意思就是等着别人来连接，然后调用accept，就会阻塞在这里，等待客户端的连接来临；客户端通过调用socket和connect函数之后，也会阻塞。接下来的事情是由操作系统内核完成的，更具体一点的说，是操作系统内核网络协议栈在工作。

客户端的协议栈向服务器端发送了SYN包，并告诉服务器端当前发送序列号j，客户端进入SYNC_SENT状态； 服务器端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行ACK应答，应答的值为j 1，表示对SYN包j的确认，同时服务器也发送一个SYN包，告诉客户端当前我的发送序列号为k，服务器端进入SYNC_RCVD状态； 客户端协议栈收到ACK之后，使得应用程序从connect调用返回，表示客户端到服务器端的单向连接建立成功，客户端的状态为ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务器端的SYN包进行应答，应答数据为k 1； 应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得accept阻塞调用返回，这个时候服务器端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入ESTABLISHED状态。 形象一点的比喻是这样的，有A和B想进行通话：

A先对B说：“喂，你在么？我在的，我的口令是j。” B收到之后大声回答：“我收到你的口令j并准备好了，你准备好了吗？我的口令是k。” A收到之后也大声回答：“我收到你的口令k并准备好了，我们开始吧。” 可以看到，这样的应答过程总共进行了三次，这就是TCP连接建立之所以被叫为“三次握手”的原因了。

总结

这一讲我们分别从服务端和客户端的角度，讲述了如何创建套接字，并利用套接字完成TCP连接的建立。

服务器端通过创建socket，bind，listen完成初始化，通过accept完成连接的建立。 客户端通过创建socket，connect发起连接建立请求。

socket编程 ipv6 tcp/ip

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