APUE学习--网络编程(3)

本篇文章介绍TCP通信。

上文提到传输层的两个协议TCP和UDP，UDP是无连接的已经介绍过，TCP是面向连接的，阐述建立连接和断开连接前先来看下TCP报文头的结构。

报文头在linux的定义在/usr/include/netinet/tcp.h中：

struct tcphdr
{
    u_int16_t source;   //源端口号
    u_int16_t dest;      //目的端口号
    u_int32_t seq;       //32位的TCP报文序列号
    u_int32_t ack_seq; //32位的TCP报文确认序列号
    u_int16_t res1:4;   //保留位
    u_int16_t doff:4;   //首部长度
    u_int16_t fin:1;     //fin置1表示该报文用于申请断开TCP连接
    u_int16_t syn:1;   //syn置1表示该报文用于申请建立TCP连接
    u_int16_t rst:1;     //rst置1表示该报文用于申请重建TCP连接
    u_int16_t psh:1;    //psh置1表示该报文的优先级较高（用于发送紧急报文）
    u_int16_t ack:1;    //ack置1表示该报文具有确认的功能，此时确认序列号有效
    u_int16_t urg:1;    //urg置1使紧急指针有效
    u_int16_t res2:2;  //保留位（加上res1共6位）
    u_int16_t window; //窗口大小，用于流量控制
    u_int16_t check;   //tcp报文的校验和
    u_int16_t urg_ptr; //紧急指针（是一个偏移量），序列号到紧急指针之间的数据为紧急数据，紧急指针后的数据才是正常数据
};

可以看出来，TCP报文首部设计的功能要比UDP报文首部复杂的多（可靠自然带来大量的额外开销），在建立连接中我们比较关心的是32位的序列号、32位的确认序列号、SYN位、ACK位，通过下面的图形我们来看下TCP建立连接的三次握手过程（三次握手指的是三次报文的传输），其中发起连接的一端我们称为主动端，等待连接的一端我们称为被动端。

第一次握手：主动端向被动端发送一个syn置1，序列号为x的一个tcp报文

第二次握手：被动端向主动端回溯一个ack置1，确认序列号为x+1的tcp报文同时将该报文的syn置1并生成一个序列号y，以此使该报文又具有了发起连接的功能

第三次握手：主动端再向被动端回溯一个ack置1，确认序列号为y+1的的确认报文，到此完成了tcp连接的建立。

简单总结下：完成tcp建立连接需要两端都进行以此连接申请和申请的确认，但总会有一个主动端先申请建立连接。下面我们来看下如何通过函数调用来完成整个建立的阶段。

先来看下被动端，有一个阶段是等待连接请求的阶段，通过listen()函数开启连接的监听等待：

int listen(int sockfd, int backlog);

参数sockfd是在哪个套接字上实现监听，backlog是最多能够建立几个连接（已经完成三次握手的）。listen()函数并不会阻塞等待，而是开启监听等待，开启后的等待过程是由内核的协议栈完成的，此时sockfd套接字已成为监听描述符，该描述符的可读条件变成有连接完成，当有连接完成时通过accept()函数来读出完成的连接并返回该TCP套接字描述符：

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

参数sockfd是监听描述符，addr是主动端的网络地址，addrlen是地址长度。该函数被调用后会阻塞至sockfd可读（即有连接完成），返回tcp套接字描述符。注意在TCP的被动端至少有两个套接字描述符，一个是监听描述符（用socket()创建并用listen开启监听状态），一个是tcp通信的描述符（由内核创建并由accept返回）。

连接建立之后，套接字的通信双方已经确定，在通信时就不必对方的网络地址，直接使用read()/write()传输数据即可。

TCP连接的被动端的函数调用过程：socket()创建监听描述符-->bind()绑定本地网络地址-->listen()开启监听状态-->accept()获得建立的tcp连接的套接字描述符-->read()/write()进行数据通信-->close()关闭套接字（监听描述符结束监听状态，tcp连接描述符断开TCP连接）。

在来说下TCP的主动端，主动端使用connect()函数发起tcp连接的建立：

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

参数sockfd是套接字描述符（由socket()创建），addr是被动端的网络地址，addrlen是addr的长度。该函数将阻塞至内核完成三次握手，主动端只有一个描述符（无监听描述符）。

TCP连接的主动端的函数调用过程：socket()创建套接字描述符-->connect()发起连接请求-->read()/write()进行数据通信-->close()关闭套接字（断开TCP连接）。

下面我们看下断开连接的四次握手，从之前提到的函数调用过程中可以发现，无论是主动端还是被动段都可以发起断开连接，下面以主动端发起断开连接请求为例，被动端先发起是一样的。

第一次握手：主动端向被动发送fin置1，序列号为x的断开连接报文

第二次握手：被动端向主动端回溯一个ack置1，确认序列号为x+1的确认报文，主动端接到后为半关闭状态

第三次握手：被动端过一端时间后再向主动端发送fin置1，序列号为y的断开连接报文

第四次握手：主动端向被动端回溯一个ack置1，确认序列号为y+1的确认报文，此时连接为全关闭状态

整个过程是在调用close()之后由内核完成，但close()并不阻塞。这样在编程时可能会出现的这种情况，被动端在绑定网络地址时出现地址已经被占用，过一段时间后才能绑定成功，原因就是上次的四次握手还未完成。解决办法一个使用setsockopt()函数设置地址可被重复绑定，具体操作如下：

int on = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCK, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

该操作应该在socket()和bind()之间调用，其中SOL_SOCK表示是套接字的通用选项，SO_REUSEADDR表示的是地址重用选项，on=1表示开启。