（网络编程笔记）：TCP建立连接过程、滑动窗口、函数封装思想、粘包及并发案例

目录

三次握手和四次挥手

窗口大小: 指的是缓冲区大小

滑动窗口(TCP流量控制)

mss和MTU

函数封装思想

粘包的概念

高并发服务器

三次握手和四次挥手

• 三次握手: 建立连接需要三次握手过程

• 四次挥手: 断开连接需要四次挥手过程
• TCP是面向连接的安全的数据传输
  • 在客户端与服务端建立建立的时候要经过三次握手的过程，在客户端与服务端断开连接的时候要经历四次挥手的过程，下图是客户端与服务端三次握手建立连接, 数据传输和断开连接四次挥手的全过程。
• TCP时序:

• 图的含义
  • SYN：表示请求
  • ACK：表示确认
  • 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。
• 服务端发送的SYN和客户端发送的SYN本身也会占1位
  • 上图中ACK表示确认序号，确认序号的值是对方发送的序号值+数据的长度, 
  • 特别注意的是SYN和FIN本身也会占用一位
• 注:
  • SYS----->synchronous
  • ACK----->acknowledgement
  • FIN------>finish
• 三次握手和四次挥手的过程都是在内核实现的

TCP数据报格式

窗口大小: 指的是缓冲区大小

• 通信的时候不再需要SYN标识位了, 只有在请求连接的时候需要SYN标识位
• 传输数据的时候的随机序号seq就是最近一次对方发送给自己的ACK的随机序号值, 而发给对方的ACK就是上次刚刚发给对方的ACK的值.

• 图中发送的ACK确认包表示给对方发送数据的一个确认, 表示你发送的数据我都收到了, 同时告诉对方下次发送该序号开始的数据
• 由于每次发送数据都会收到对方发来的确认包, 所以可以确认对方是否收到了, 若没有收到对方发来的确认包, 则会进行重发
  • mss: 最大报文长度, 告诉对方我这边最多一次能收多少, 你不能超过这个长度
  • win: 表示告诉对方我这边缓存大小最大是多少

滑动窗口(TCP流量控制)

• 主要作用: 滑动窗口主要是进行流量控制的
• 见下图:如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会导致接收缓冲区满而丢失数据。TCP协议通过“滑动窗口（Sliding Window）”机制解决这一问题。

1. 发送端发起连接，声明最大段尺寸是1460，初始序号是0，窗口大小是4K，表示“我的接收缓冲区还有4K字节空闲，你发的数据不要超过4K”。接收端应答连接请求，声明最大段尺寸是1024，初始序号是8000，窗口大小是6K。发送端应答，三方握手结束。
2. 发送端发出段4-9，每个段带1K的数据，发送端根据窗口大小知道接收端的缓冲区满了，因此停止发送数据。
3. 接收端的应用程序提走2K数据，接收缓冲区又有了2K空闲，接收端发出段10，在应答已收到6K数据的同时声明窗口大小为2K。
4. 接收端的应用程序又提走2K数据，接收缓冲区有4K空闲，接收端发出段11，重新声明窗口大小为4K。
5. 发送端发出段12-13，每个段带2K数据，段13同时还包含FIN位。
6. 接收端应答接收到的2K数据（6145-8192），再加上FIN位占一个序号8193，因此应答序号是8194，连接处于半关闭状态，接收端同时声明窗口大小为2K。
7. 接收端的应用程序提走2K数据，接收端重新声明窗口大小为4K。
8. 接收端的应用程序提走剩下的2K数据，接收缓冲区全空，接收端重新声明窗口大小为6K。
9. 接收端的应用程序在提走全部数据后，决定关闭连接，发出段17包含FIN位，发送端应答，连接完全关闭。
10. 上图在接收端用小方块表示1K数据，实心的小方块表示已接收到的数据，虚线框表示接收缓冲区，因此套在虚线框中的空心小方块表示窗口大小，从图中可以看出，随着应用程序提走数据，虚线框是向右滑动的，因此称为滑动窗口。

• 从这个例子还可以看出，发送端是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据。也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），在底层通讯中这些数据可能被拆成很多数据包来发送，但是一个数据包有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。
• 图中win表示告诉对方我这边缓冲区大小是多少, mss表示告诉对方我这边最多一次可以接收多少数据, 你最好不要超过这个长度.
• 在客户端给服务端发包的时候, 不一定是非要等到服务端返回响应包, 由于客户端知道服务端的窗口大小, 所以可以持续多次发送, 当发送数据达到对方窗口大小了就不再发送, 需要等到对方进行处理, 对方处理之后可继续发送.

mss和MTU

• MTU：最大传输单元
• MTU：通信术语最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）
  • 是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为    单位).
  • 最大传输单元这个参数通常与通信接口有关（网络接口卡、串    口等), 这个值如果设置为太大会导致丢包重传的时候重传的数据量较大, 图中的最大值是1500, 其实是一个经验值.

• mss: 最大报文长度, 只是在建立连接的时候, 告诉对方我最大能够接收多少数据, 在数据通信的过程中就没有mss了.

函数封装思想

• 函数封装的思想-处理异常情况
  • 结合man-page和errno进行封装.
  • 在封装的时候起名可以把第一个函数名的字母大写, 如socket可以封装成Socket, 这样可以按shift+k进行搜索, shift+k搜索函数说明的时候不区分大小写, 使用man page也可以查看, man page对大小写不区分.
• 像accept，read这样的能够引起阻塞的函数
  • 若被信号打断，由于信号的优先级较高, 会优先处理信号, 信号处理完成后，会使accept或者read解除阻塞, 然后返回, 此时返回值为 -1，设置errno=EINTR;
  • errno=ECONNABORTED表示连接被打断,异常.
• errno宏
  • 在/usr/include/asm-generic/errno.h文件中包含了errno所有的宏和对应的错误描述信息.
• wrap.h

#ifndef __WRAP_H_
#define __WRAP_H_
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>

void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
int Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);
int tcp4bind(short port,const char *IP);
#endif

• wrap.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>

void perr_exit(const char *s)
{
	perror(s);
	exit(-1);
}

int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr)
{
	int n;

again:
	if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
		if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
			goto again;
		else
			perr_exit("accept error");
	}
	return n;
}

int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("bind error");

    return n;
}

int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("connect error");

    return n;
}

int Listen(int fd, int backlog)
{
    int n;

	if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)
		perr_exit("listen error");

    return n;
}

int Socket(int family, int type, int protocol)
{
	int n;

	if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)
		perr_exit("socket error");

	return n;
}

ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

int Close(int fd)
{
    int n;
	if ((n = close(fd)) == -1)
		perr_exit("close error");

    return n;
}

/*参三: 应该读取的字节数*/
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{
	size_t  nleft;              //usigned int 剩余未读取的字节数
	ssize_t nread;              //int 实际读到的字节数
	char   *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;

	while (nleft > 0) {
		if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				nread = 0;
			else
				return -1;
		} else if (nread == 0)
			break;

		nleft -= nread;
		ptr += nread;
	}
	return n - nleft;
}

ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
	size_t nleft;
	ssize_t nwritten;
	const char *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;
	while (nleft > 0) {
		if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
			if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
				nwritten = 0;
			else
				return -1;
		}

		nleft -= nwritten;
		ptr += nwritten;
	}
	return n;
}

static ssize_t my_read(int fd, char *ptr)
{
	static int read_cnt;
	static char *read_ptr;
	static char read_buf[100];

	if (read_cnt <= 0) {
again:
		if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				goto again;
			return -1;
		} else if (read_cnt == 0)
			return 0;
		read_ptr = read_buf;
	}
	read_cnt--;
	*ptr = *read_ptr++;

	return 1;
}

ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{
	ssize_t n, rc;
	char    c, *ptr;

	ptr = vptr;
	for (n = 1; n < maxlen; n++) {
		if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {
			*ptr++ = c;
			if (c  == '\n')
				break;
		} else if (rc == 0) {
			*ptr = 0;
			return n - 1;
		} else
			return -1;
	}
	*ptr  = 0;

	return n;
}

int tcp4bind(short port,const char *IP)
{
    struct sockaddr_in serv_addr;
    int lfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    bzero(&serv_addr,sizeof(serv_addr));
    if(IP == NULL){
        //如果这样使用 0.0.0.0,任意ip将可以连接
        serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    }else{
        if(inet_pton(AF_INET,IP,&serv_addr.sin_addr.s_addr) <= 0){
            perror(IP);//转换失败
            exit(1);
        }
    }
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port   = htons(port);
    Bind(lfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
    return lfd;
}

粘包的概念

• 粘包: 多次数据发送, 收尾相连, 接收端接收的时候不能正确区分第一次发送多少, 第二次发送多少.
• 粘包问题分析和解决?
  • 方案1: 包头+数据
    • 如4位的数据长度+数据  -----------> 00101234567890 
    • 其中0010表示数据长度, 1234567890表示10个字节长度的数据.
    • 另外, 发送端和接收端可以协商更为复杂的报文结构, 这个报文结构就相当于双方约定的一个协议.
  • 方案2: 添加结尾标记.
    • 如结尾最后一个字符为\n \$等.
  • 方案3: 数据包定长
    • 如发送方和接收方约定, 每次只发送128个字节的内容, 接收方接收定长128个字节就可以了.

高并发服务器

• 如何支持多个客户端---支持多并发的服务器
• 由于accept和read函数都会阻塞, 如当read的时候, 不能调用accept接受新的连接, 当accept阻塞等待的时候不能read读数据.
• 方案: 使用多进程, 可以让父进程接受新连接, 让子进程处理与客户端通信
  • 思路: 让父进程accept接受新连接, 然后fork子进程, 让子进程处理通信, 子进程处理完成后退出, 父进程使用SIGCHLD信号回收子进程.

• 处理流程:

1 创建socket, 得到一个监听的文件描述符lfd---socket()
2 将lfd和IP和端口port进行绑定-----bind();
3 设置监听----listen()
4 进入while(1)
  {
  	//等待有新的客户端连接到来
  	cfd = accept();
  	
  	//fork一个子进程, 让子进程去处理数据
  	pid = fork();
  	if(pid<0)
  	{
  		exit(-1);
  	}
  	else if(pid>0)
  	{
  		//关闭通信文件描述符cfd
  		close(cfd);
  	}
  	else if(pid==0)
  	{
  		//关闭监听文件描述符
  		close(lfd);
  		
  		//收发数据
  		while(1)
  		{
  			//读数据
  			n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
  			if(n<=0)
  			{
  				break;
  			}
  			
  			//发送数据给对方
  			write(cfd, buf, n);
  		}
  		
  		close(cfd);
  		
  		//下面的exit必须有, 防止子进程再去创建子进程
  		exit(0);
  	}
  }
  close(lfd);

• 还需要添加的功能: 父进程使用SIGCHLD信号完成对子进程的回收
• 注意点: accept或者read函数是阻塞函数, 会被信号打断, 此时不应该视为一个错误，errno=EINTR

示例代码

//多进程版本的网络服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include "wrap.h"

int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	//绑定
	struct sockaddr_in serv;
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));
	
	//设置监听
	Listen(lfd, 128);
	
	pid_t pid;
	int cfd;
	char sIP[16];
	socklen_t len;
	struct sockaddr_in client;
	while(1)
	{
		//接受新的连接
		len = sizeof(client);
		memset(sIP, 0x00, sizeof(sIP));
		cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
		printf("client:[%s] [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
		
		//接受一个新的连接, 创建一个子进程,让子进程完成数据的收发操作
		pid = fork();
		if(pid<0)
		{
			perror("fork error");
			exit(-1);
		}
		else if(pid>0)
		{
			//关闭通信文件描述符cfd
			close(cfd);			
		}
		else if(pid==0)
		{
			//关闭监听文件描述符
			close(lfd);
			
			int i=0;
			int n;
			char buf[1024];
			
			while(1)
			{
				//读数据
				n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
				if(n<=0)
				{
					printf("read error or client closed, n==[%d]\n", n);
					break;
				}
				//printf("client:[%s] [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
				printf("[%d]---->:n==[%d], buf==[%s]\n", ntohs(client.sin_port), n, buf);
				
				//将小写转换为大写
				for(i=0; i<n; i++)
				{
					buf[i] = toupper(buf[i]);
				}
				//发送数据
				Write(cfd, buf, n);
			}
			
			//关闭cfd
			close(cfd);
			exit(0);
		}
	}
	
	//关闭监听文件描述符
	close(lfd);
	
	return 0;
}

• 方案: 使用多线程

• 让主线程接受新连接, 让子线程处理与客户端通信; 使用多线程要将线程设置为分离属性, 让线程在退出之后自己回收资源.

• 多线程版本的服务器开发流程

{
	1 创建socket, 得到一个监听的文件描述符lfd---socket()
	2 将lfd和IP和端口port进行绑定-----bind();
	3 设置监听----listen() 
	4 while(1)
	  {
	  	//接受新的客户端连接请求
	  	cfd = accept();
	  	
	  	//创建一个子线程
	  	pthread_create(&threadID, NULL, thread_work, &cfd);
	  	
	  	//设置线程为分离属性
	  	pthread_detach(threadID);
	  	
	  }
	  
	  close(lfd);
}	  	
	  
子线程执行函数:
	void *thread_work(void *arg)
	{
		//获得参数: 通信文件描述符
		int cfd = *(int *)arg;
		
		while(1)
		{
			//读数据
			n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
			if(n<=0)
			{
				break;
			}
			
			//发送数据
			write(cfd, buf, n);
		}
		
		close(cfd);
	}

• 子线程能否关闭lfd?
  • 子线程不能关闭监听文件描述符lfd,原因是子线程和主线程共享文件描述符，而不是复制的.
• 主线程能否关闭cfd?
  • 主线程不能关闭cfd, 主线程和子线程共享一个cfd, 而不是复制的, close之后cfd就会被真正关闭.
• 多个子线程共享cfd,，导致cfd是最后一次连接的值，前面的值被覆盖，解决思路

struct INFO
{
	int cfd;
	pthread_t threadID;
	struct sockaddr_in client;
};
struct INFO info[100];

//初始化INFO数组
for(i=0; i<100; i++)
{
	info[i].cfd=-1;
}


for(i=0; i<100; i++)
{
	if(info[i].cfd==-1)
	{
		//这块内存可以使用
	}
}

if(i==100)
{
	//拒绝接受新的连接
	close(cfd);
}

示例代码

//多线程版本的高并发服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include "wrap.h"

//子线程回调函数
void *thread_work(void *arg)
{
	int cfd = *(int *)arg;
	printf("cfd==[%d]\n", cfd);
	
	int i;
	int n;
	char buf[1024];
	
	while(1)
	{
		//read数据
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
		n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
		if(n<=0)
		{
			printf("read error or client closed,n==[%d]\n", n);
			break;
		}
		printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
		
		for(i=0; i<n; i++)
		{
			buf[i] = toupper(buf[i]);
		}
		//发送数据给客户端
		Write(cfd, buf, n);	
	}
	
	//关闭通信文件描述符
	close(cfd);
	
	pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	//设置端口复用
	int opt = 1;
	setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));
	
	//绑定
	struct sockaddr_in serv;
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));
	
	//设置监听
	Listen(lfd, 128);
	
	int cfd;
	pthread_t threadID;
	while(1)
	{
		//接受新的连接
		cfd = Accept(lfd, NULL, NULL);
		
		//创建子线程
		pthread_create(&threadID, NULL, thread_work, &cfd);
		
		//设置子线程为分离属性
		pthread_detach(threadID);
	}

	//关闭监听文件描述符
	close(lfd);
	
	return 0;
}

• 【注】：参考黑马linux C++教程