tcp網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的三個(gè)階段包括哪些

一、TCP 網(wǎng)絡(luò)開發(fā) API

TCP，全稱傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol），是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。

1.1、TCP 服務(wù)器調(diào)用的 API

#include  /* See NOTES */

#include 

// 1

int socket(int domain, int type, int protocol);

// 2

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

// 3

int listen(int sockfd, int backlog);

// 4

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

// 5

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

// 6

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

// 7

int close(int fd);

// 8

int shutdown(int sockfd, int how);

1.2、TCP 客戶端調(diào)用的 API

#include  /* See NOTES */

#include 

// 1

int socket(int domain, int type, int protocol);

// 2

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

// 3

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

// 4

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

// 5

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

// 6

int close(int fd);

// 7

int shutdown(int sockfd, int how);

1.3、API 函數(shù)的作用

（1）int socket(int domain, int type, int protocol) 在文件系統(tǒng)中分配一個(gè) fd，并創(chuàng)建 TCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 （2）int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) 為 TCP 的 socket 綁定本地 IP 地址和端口。 （3）int listen(int sockfd, int backlog) 將 TCP 置于 LISTEN 狀態(tài)。 （4）int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen) 從全連接隊(duì)列中取出一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并分配一個(gè) fd。 （5）ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags) 在對(duì)應(yīng) fd 中，從讀緩沖區(qū)中拷貝出數(shù)據(jù)。 （6）ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags) 把 fd 對(duì)應(yīng)的 TCB 數(shù)據(jù)拷貝到寫緩沖區(qū)中。 （7）int close(int fd) 準(zhǔn)備一個(gè) FIN 包，放到寫緩沖區(qū)，是否 fd。 （8）int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) 準(zhǔn)備一個(gè) SYN 包，交給協(xié)議棧發(fā)送出去，等待三次握手完成后才返回。

二、TCP 的三個(gè)階段

2.1 TCP 建立連接

TCP 連接的建立主要依靠 socket ()、bind ()、listen ()、connect ()、accept () 這幾個(gè)函數(shù)。

2.1.1、TCP 的三次握手

示意圖： 三次握手在 kernel 協(xié)議棧中進(jìn)行，那么三次握手是在哪幾個(gè)函數(shù)中發(fā)送的呢？ 第一次，由 connect () 函數(shù)觸發(fā) 發(fā)起握手，也就是發(fā)送 syn 包到服務(wù)端； 第二次，在 listen () 之后 accept () 之前，服務(wù)器接收到 syn 包后發(fā)送 syn&&ack 包到客戶端； 第三次，客戶端發(fā)送 ack 包到服務(wù)端完成連接的建立。 TCP 報(bào)頭：

0 |1 |2 |3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

+-------------------------------+-------------------------------+

| Source Port | Destination Port |

+---------------------------------------------------------------+

| Sequence Number |

+---------------------------------------------------------------+

| Acknowledgment Number |

+-------+-----------+-+-+-+-+-+-+-------------------------------+

| Header| Reserve |U|A|P|R|S|F| Window |

| Length| |R|C|S|S|Y|I| |

| | |G|K|H|T|N|N| |

+-------------------------------+-------------------------------+

| Checksum | Urgent Pointer |

+---------------------------------------------------------------+

| Option |

+---------------------------------------------------------------+

| Data |

| ... |

+---------------------------------------------------------------+

SYN：即 synchronous，同步。

ACK：即 acknowledgement，確認(rèn)。

PSH：即 push，推送。

FIN ：即 finish，結(jié)束。

RST：即 reset，重置。

URG：即 urgent，緊急。

Sequence Number：是數(shù)據(jù)包本身第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)。

Acknowledge Number：是期望對(duì)方繼續(xù)發(fā)送的那個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)其值一般為接收到的 Sequence Number 加 1。

從報(bào)文中可以看出，SYN 包最重要的是將 SYN 位設(shè)為 1，設(shè)置 Sequence Number；ACK 包最重要的是將 ACK 位設(shè)為 1，設(shè)置 Acknowledgment Number。 半連接隊(duì)列和全連接隊(duì)列： 在三次握手中，Linux kener 協(xié)議棧會(huì)維護(hù)兩個(gè)隊(duì)列：半連接隊(duì)列和全連接隊(duì)列。 半連接隊(duì)列（也叫 SYN 隊(duì)列）：半連接隊(duì)列在第一握手中，當(dāng)客戶端發(fā)送 SYN 包到服務(wù)端時(shí)，服務(wù)端的半連接隊(duì)列會(huì)加入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，表示此連接處于半連接狀態(tài)。 全連接隊(duì)列（也叫 ACCEPT 隊(duì)列）：全連接隊(duì)列在第三握手中，當(dāng)客戶端發(fā)送 ACK 包到服務(wù)端時(shí)，服務(wù)端會(huì)檢查半連接隊(duì)列中是否存在此連接節(jié)點(diǎn)（通過五元組進(jìn)行查找），如果存在就將此連接節(jié)點(diǎn)加入全連接隊(duì)列中；否則將拋棄此連接。 accpt () 函數(shù)在三次握手完成后，從全連接隊(duì)列中取出連接節(jié)點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)分配 socket fd，返回到用戶態(tài)。 那么，accept () 函數(shù)如何知道全連接隊(duì)列中有節(jié)點(diǎn)呢？ 當(dāng)三次握手完成后，全連接隊(duì)列創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的同時(shí)會(huì)釋放一個(gè)有連接接入的信號(hào)（single 或信號(hào)量），這個(gè)信號(hào)決定了 accept () 函數(shù)是否可以從全連接隊(duì)列中取節(jié)點(diǎn)；也決定 epoll 等 IO 多路復(fù)用器能不能檢查這個(gè)連接 fd 是否可讀。 在阻塞模式下，accept () 函數(shù)一直等待信號(hào)，直到全連接隊(duì)列中有節(jié)點(diǎn)才返回。 在非阻塞模式下，全連接隊(duì)列為空 accept () 函數(shù)就返回 - 1，否則返回 socket fd。 在 listen () 函數(shù)有，有一個(gè) backlog 參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示的是全連接隊(duì)列的大小還是半連接隊(duì)列的大小呢？ 隨著 TCP 協(xié)議的不斷迭代，backlog 參數(shù)在不同的版本中代表的含義也不相同；它可以是半連接隊(duì)列大小，也可以是全連接隊(duì)列大小，也可以是半連接隊(duì)列 + 全連接隊(duì)列的大小總和。不過，效果不會(huì)有太大差異。目前版本中主要表示全連接隊(duì)列的大小。 DDOS 攻擊： 根據(jù)三次握手原理，產(chǎn)生一種對(duì)服務(wù)器的攻擊方式：DDOS 攻擊。所謂 DDOS 攻擊，就是客戶端偽造一些不存在的 IP，一直發(fā)送 SYN 包，使服務(wù)器的半連接隊(duì)列不斷增大，當(dāng)半連接隊(duì)列的大小達(dá)到極限時(shí)，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞就會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器無法再接受連接，從而使服務(wù)器奔潰。

2.1.2、TCP 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

TCP 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖： （1）從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖看出，LISTEN 狀態(tài)可以通過發(fā)送 SYN 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到 SYN_SEND 狀態(tài)；也就是 LISTEN 狀態(tài)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。 （2）SYN_SEND 狀態(tài)可以收到 SYN，并發(fā)送 SYN 和 ACK 轉(zhuǎn)換到 SYN_RECV 狀態(tài)；也就是兩個(gè)設(shè)備可以互發(fā) SYN 包，建立連接。

2.2 TCP 傳輸數(shù)據(jù)

TCP 傳輸數(shù)據(jù)主要依靠 send () 和 recv () 兩個(gè)函數(shù)。 使用 send () 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，返回正數(shù)不一定代表發(fā)送成功。因?yàn)?send () 函數(shù)僅僅只是將數(shù)據(jù)拷貝到協(xié)議棧的寫緩沖區(qū)，由協(xié)議棧發(fā)送；發(fā)送過程中會(huì)經(jīng)過 N 個(gè)網(wǎng)關(guān)，可能存在丟包或鏈路斷開導(dǎo)致未能發(fā)送到目的地。如果要知道數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，需要加上確認(rèn)機(jī)制（ACK）。

2.2.1、傳輸控制塊 TCB

為了保證數(shù)據(jù)能正確分發(fā)，TCP 使用一種 TCB（傳輸控制塊）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把發(fā)送給不同設(shè)備的數(shù)據(jù)封裝起來。這個(gè) TCB 會(huì)存在整個(gè) TCP 周期，知道斷開連接。 一個(gè) TCB 數(shù)據(jù)塊包含數(shù)據(jù)發(fā)送雙方對(duì)應(yīng)的 socket 信息以及擁有存放數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。建立連接連接發(fā)送數(shù)據(jù)之前，通信雙方必須做一個(gè)準(zhǔn)備工作：分配內(nèi)存建立 TCB 數(shù)據(jù)塊。當(dāng)雙方準(zhǔn)備好自己的 socket 和 TCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，就可以進(jìn)入 “三次握手” 建立連接。

2.2.2、TCP 分包

TCP 分包就是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很大，超出發(fā)送緩存區(qū)剩余空間，將會(huì)進(jìn)行分包；待發(fā)送的數(shù)據(jù)大于最大報(bào)文長度，TCP 在傳輸前將進(jìn)行分包。 分包在應(yīng)用程序的處理一般是發(fā)送循環(huán) send ()，接收方循環(huán) recv ()。

2.2.3、TCP 粘包及解決方案

TCP 粘包就是發(fā)送方發(fā)送的若干數(shù)據(jù)包到接收方接收時(shí)粘成一個(gè)包，從接收緩沖區(qū)看就是后數(shù)據(jù)包的頭緊接著前數(shù)據(jù)包的尾。 常見解決方案： （1）（推薦）應(yīng)用層協(xié)議頭前面添加包長度。分兩次接收數(shù)據(jù)；第一次先接收包的長度，然后根據(jù)包的長度一次性讀取或循環(huán)讀取數(shù)據(jù)。 例如：

// ...

ssize count=0;

ssize size=0;

while(countlength)

{

size=recv(fd,buffer,buffersize,0);

count+=size;

}

// ...

（2）為每個(gè)包添加分隔符。在數(shù)據(jù)末尾添加分隔符，這會(huì)導(dǎo)致解數(shù)據(jù)可能需要有合包操作；因?yàn)榉指顢?shù)據(jù)包后，需要記錄后一個(gè)數(shù)據(jù)包，用于與該包后面部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行合并。

2.3 TCP 四次揮手

斷開連接是比建立連接和傳輸數(shù)據(jù)還復(fù)雜的一個(gè)過程，斷開連接主要分為主動(dòng)關(guān)閉和被動(dòng)關(guān)閉兩種。

四次揮手示意圖：

需要注意的是，調(diào)用 close () 不是立即完成斷開，而是關(guān)閉了數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入了四次揮手階段，TCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還沒有釋放。四次揮手結(jié)束才真正把 TCB 釋放。

根據(jù)四次揮手流程，可以思考一些問題：

（1）傳輸數(shù)據(jù)過程中，網(wǎng)線斷了之后立刻連接，TCP 如何知道？

網(wǎng)線掉線網(wǎng)卡會(huì)停止供電，再次連接后網(wǎng)卡恢復(fù)供電，網(wǎng)卡服務(wù)重啟，網(wǎng)絡(luò)連接重連。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)通過心跳包檢測。

（2）服務(wù)器如何知道客戶端是否宕機(jī)？

一樣需要通過心跳包機(jī)制來檢測。

（3）服務(wù)器如何甄別網(wǎng)絡(luò)阻塞和宕機(jī)？

服務(wù)器發(fā)送心跳包時(shí)，不僅僅發(fā)一次，而是要發(fā)送多次的；如果是網(wǎng)絡(luò)阻塞，那么在一定時(shí)間內(nèi)一定有回復(fù)信息；如果是宕機(jī)，無論多長時(shí)間都沒有客戶端的回復(fù)。

（4）如果出現(xiàn)大量的 CLOSING 狀態(tài)，如何處理？

出現(xiàn)大量 CLOSING 狀態(tài)，基本上業(yè)務(wù)上要處理的邏輯過多，導(dǎo)致一直在 CLOSING 狀態(tài)；可以使用異步，將網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層分離，單獨(dú)處理。

（5）四次揮手中，為什么存在 TIME_WAIT 狀態(tài)？

防止沒有 LAST_ACK 或 LAST_ACK 丟失，導(dǎo)致一直重發(fā)已經(jīng)不存在的 socket。

總結(jié)

需要掌握 TCP 三次握手和四次揮手的過程，熟悉 TCP 狀態(tài)轉(zhuǎn)換。清楚什么是 SYN 包和 ACK 包。

（1）三次握手是 由客戶端發(fā)起 SYN，服務(wù)端收到 SYN 后發(fā)送 SYN 和 ACK，客戶端回復(fù) ACK；完成連接的建立。

（2）斷開連接主要有主動(dòng)斷開和被動(dòng)斷開。

（3）四次揮手是 由發(fā)起方調(diào)用 close ()，同時(shí)發(fā)送 FIN 包；接收端接收到 FIN 包返回 ACK 包，接收端發(fā)送 FIN 包；發(fā)起方接收到 FIN 包返回 ACK 包；完成斷開。

（4）理解 TCP 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。LISTEN 狀態(tài)到 SYN_RCVD 狀態(tài)和 SYN_SEND 狀態(tài)，如何進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)；四次揮手 FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、TIME_WAIT、CLOSING 直接的轉(zhuǎn)換，CLOSE_WAIT 和 LAST_ACK 的處理等。

（5）理解 API 的底層原理，以及全連接隊(duì)列和半連接隊(duì)列。

（6）TCP 的分包場景以及 TCP 粘包的處理方式。

TCP 通信完整過程：

責(zé)任編輯：彭菁