通讯流程全过程浏览
下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程:
上图就是TCP协议的通信流程,接下来认识初步认识以下TCP建立连接(三次握手)和断开连接(四次挥手),以及建立连接和断开连接与各个网络接口之间的对应关系。
建立连接过程
服务器初始化包括以下步骤:
- 调用 socket 函数创建一个文件描述符,用于后续的网络通信。
- 调用 bind,将当前的文件描述符与指定的IP地址和端口号绑定在一起。如果指定的端口被其它的进程占用,则 bind 操作会失败。
- 调用 listen 函数,声明当前这个文件描述符作为一个服务器的文件描述符,为后面的 accept 做好准备。
- 调用 accept 函数,并阻塞等待客户端的连接请求。当有客户端连接请求达到时,accept 函数会返回一个新的文件描述符,用于与该客户端进行通信。
通过上述步骤,服务器完成了初始化并准备好接收客户端的连接请求。在调用 accept 函数时,服务器将会阻塞,直到有客户端连接请求达到为止。这样,服务器可以与客户端建立连接,并进行后续的数据交换和处理。
建立TCP连接的过程:
- 调用 socket 函数创建一个文件描述符,用于后续网络通信。
- 调用 connect 函数,向服务器发起连接请求。connect 函数会发送一个 SYN(同步)段,并阻塞等待服务器的应答。
- 服务器收到客户端发送的 SYN 段后,会向客户端发送一个 SYN-ACK(同步 - 确认)段,表示同意客户端的连接。服务器为该连接分配一个新的序列号,并等待客户端的确认。
- 客户端收到服务器发送的 ACK 段后,会从 connect() 函数返回,同时发送一个 ACK 段作为确认。客户端也会为连接分配一个新的序列号。
- 服务端收到客户端发送的 ACK 段后,确认连接成功。此时,客户端和服务器已经成功建立连接,可以进行数据的传输了。
这个建立连接的过程,通常被称为 “三次握手”,双方确认了连接,开始进行数据交换。需要注意的是,连接并不是调用函数后立即建立成功的,由于TCP是属于传输层协议,在建立连接时双方的操作系统会自主进行三次握手协商,协商完成之后,才可以连接成功。
数据传输过程
TCP协议负责处理数据的可靠传输和流量控制等底层细节,使得应用程序可以通过 read 和 write 函数进行数据的读写操作,而无需关系具体的数据传输细节。这样,应用程序可以方便地进行数据交互,而底层的TCP协议确保了数据的可靠传输和顺序保证。
数据传输的过程如下:
- 建立连接后,TCP协议提供全双工的通信服务;所谓全双工的意思是,在同一条连接中,同一时刻,通信双方可以同时进行数据的读写操作;相对的概念叫做半双工,同一条连接在同一时刻,只能由一方来写数据。
- 服务器从 accept() 函数返回后,立即调用 read() 来读取数据,读 socket 就像管道一样,如果没有数据到达就阻塞等待。
- 此时,客户端调用 write() 函数向服务器发送请求,服务器收到请求后,从 read() 函数返回并开始处理客户端的请求。在此期间,客户端调用 read() 函数阻塞等待客户端的应答。
- 服务器调用 write() 函数将处理结果发送给客户端,再次调用 read() 函数阻塞等待下一条请求。
- 客户端收到服务器的应答后,从 read() 函数返回,并发送下一条请求。这样循环往复,实现了双方之间的数据传输。
断开连接问题
当双方通信结束后,通过四次挥手的方案进行连接的断开。在TCP协议中,每个端需要发送一个 FIN 段来表示自己不再需要发送数据,而对方需要发送一个 ACK 段进行确认。因此,客户端和服务端双方 close() 操作最终对应的就是四次挥手过程。
通信双方断开连接的过程:
- 当客户端没有请求需要发送时,客户端调用 close() 函数关闭连接,客户端会向服务器发送一个 FIN 段作为请求关闭连接的信号(第一次挥手)。
- 服务器收到 FIN 段后,回应一个 ACK 段,表示已经收到关闭请求,同时服务器调用 read() 函数会返回0(第二次挥手)。
- 当服务器收到客户端的 ACK 段并且 read() 函数返回0后,服务器就直到客户端关闭了连接。这时如果服务端也没有数据发送给客户端了,也调用 close() 函数关闭连接,并向客户端发送一个 FIN 段(第三次挥手)。
- 客户端收到 FIN 段后,会回应一个 ACK 段,表示收到关闭请求(第四次挥手)。
- 此时,通信双方都关闭并收到了对方的响应。此时断开连接成功。
这个断开连接的过程,通常称为 “四次挥手”。
在学习 socket API 时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的:
- 应用程序调用某个 socket 函数时TCP协议层完成什么动作,比如调用 connect() 会发出 SYN 段。
- 应用程序如何知道TCP协议层的状态变化,比如从某个阻塞的 socket 函数返回就表明TCP协议收到了某些段,再比如 read() 返回0就表明了收到 FIN 段。