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一个简单的基于C/S模型的TCP通信实例

news 2025/6/26 19:26:19

1 TCP协议

1.1 概念

TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。

1.2 TCP数据包格式

在这里插入图片描述

1.3 TCP3次握手过程

在这里插入图片描述

1.3.1 客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的段1

客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况
另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。
mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。

1.3.2 服务器端回应客户端，是三次握手中的第2个报文段，同时带ACK标志和SYN标志。它表示对刚才客户端SYN的回应；同时又发送SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。

服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。

1.3.3 客户必须再次回应服务器端一个ACK报文，这是报文段3。

客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为“三方握手（three-way-handshake）”。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的telnet程序收到RST段后报告错误Connection refused：

1.4 数据传输

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客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。
服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。
客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

1.5 TCP4次挥手

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由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。
服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。
服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。
客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

2 案例

2.1 SERVER端

#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define SERV_PORT 9527
void sys_err(const char *str){perror(str);exit(1);
}
int main(int argc,char *argv[]){// 定义监听套接字、通信套接字int lfd = 0, cfd = 0;int ret,i;char buf[BUFSIZ],client_IP[1024];// 定义服务器端、客户端地址结构struct sockaddr_in serv_addr,clit_addr;// 客户端地址结构长度socklen_t clit_addr_len;// 初始化服务器端地址结构serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// 监听套接字初始化以及创建失败处理lfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(lfd == -1) {sys_err("socket error");}// 将套接字绑定IP+端口bind(lfd,(struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));// 设置lfd套接字用于监听以及可以连接的客户端套接字数量listen(lfd,128);// 客户端地址结构长度初始化clit_addr_len = sizeof(clit_addr);// 本服务器端目前只可同时对一个客户端进行通信while(1){// 设置服务端套接字为被动状态，返回一个新的套接字用于通信以及创建失败处理cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clit_addr, &clit_addr_len);if(cfd == -1){sys_err("accept error");}// 打印客户端ip以及端口printf("client ip: %s port:%d\n",	inet_ntop(AF_INET,&clit_addr.sin_addr.s_addr,client_IP,sizeof(client_IP)),ntohs(clit_addr.sin_port));while(1) {// 接收客户端传来的数据ret = read(cfd,buf,sizeof(buf));if(ret == 0) {printf("the link is disconneted!\n");break;}// 将客户端数据传入标准输出流中write(STDOUT_FILENO,buf,ret);// 将传来的数据变大写并传回到客户端for(i = 0; i < ret; i++)buf[i] = toupper(buf[i]);write(cfd,buf,ret);}}// close(lfd);// close(cfd);return 0;
}

2.2 CLIENT端

客户端得知服务器端ip以及端口即可通信

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>#define SERV_PORT 9527void sys_err(const char *str)
{perror(str);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[])
{int cfd;int conter = 10;char buf[BUFSIZ];//服务器地址结构struct sockaddr_in serv_addr;         serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);// 转换ip地址由点分制到二进制inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr);// 初始化用于通信的套接字cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (cfd == -1)sys_err("socket error");// 将客户端套接字与服务器端套接字连接int ret = connect(cfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));if (ret != 0)sys_err("connect err");while (--conter) {// 将数据通过套接字传输给服务器端write(cfd, "hello\n", 6);// 从套接字读取数据ret = read(cfd, buf, sizeof(buf));// 将数据输出至标准输出write(STDOUT_FILENO, buf, ret);sleep(1);}// 关闭客户端套接字close(cfd);return 0;
}