TCP——三次握手、四次挥手及通信案例

Transmission Control Protocol，缩写为TCP
TCP是传输控制协议；是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

TCP的机制

三次握手、四次挥手
具有校验机制、可靠、数据传输稳定

TCP核心API

socket()：创建一个Socket
bind()：绑定一个Socket到本地地址和端口上
connect()：连接到远程套接字
accept()：接受一个新的连接
write()：把数据写入到Socket输出流
read()：从Socket输入流读取数据

客户端连接

在这里插入图片描述

服务器端连接

在这里插入图片描述

TCP连接可靠性

序列号seq：占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。
确认号ack：占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
确认ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效
同步SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
终止FIN：用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接

PS：ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位，其值要么是1，要么是0；ack、seq小写的单词表示序号。

三次握手

在这里插入图片描述

x=rand()数据随机的必要性，当多个客户端发送连接请求时，才能确保回送的ack是准确的。
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。四次挥手过程理解

四次挥手

在这里插入图片描述

客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

TCP传输可靠性

排序、顺序发送、顺序组装
丢弃、超时

案例实操

TCP传输初始化配置

初始化服务器TCP链接监听
初始化客户端发起链接操作
服务器Socket链接操作

客户端与服务器交互

客户端发送简单字节
服务器接收客户端发送数据
服务器回送消息，客户端识别回送消息

基础数据类型传输

byte、char、short
boolean、int、long
float、double、string

客户端

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;

public class Client {
    
    
    private static final int PORT = 20000;
    private static final int LOCAL_PORT = 20001;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        Socket socket = createSocket();

        initSocket(socket);

        // 链接到本地20000端口，超时时间3秒，超过则抛出超时异常
        socket.connect(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), PORT), 3000);

        System.out.println("已发起服务器连接，并进入后续流程～");
        System.out.println("客户端信息：" + socket.getLocalAddress() + " P:" + socket.getLocalPort());
        System.out.println("服务器信息：" + socket.getInetAddress() + " P:" + socket.getPort());

        try {
    
    
            // 发送接收数据
            todo(socket);
        } catch (Exception e) {
    
    
            System.out.println("异常关闭");
        }

        // 释放资源
        socket.close();
        System.out.println("客户端已退出～");

    }

    private static Socket createSocket() throws IOException {
    
    
        /*
        // 无代理模式，等效于空构造函数
        Socket socket = new Socket(Proxy.NO_PROXY);

        // 新建一份具有HTTP代理的套接字，传输数据将通过www.baidu.com:8080端口转发
        Proxy proxy = new Proxy(Proxy.Type.HTTP,
                new InetSocketAddress(Inet4Address.getByName("www.baidu.com"), 8800));
        socket = new Socket(proxy);

        // 新建一个套接字，并且直接链接到本地20000的服务器上
        socket = new Socket("localhost", PORT);

        // 新建一个套接字，并且直接链接到本地20000的服务器上
        socket = new Socket(Inet4Address.getLocalHost(), PORT);

        // 新建一个套接字，并且直接链接到本地20000的服务器上，并且绑定到本地20001端口上
        socket = new Socket("localhost", PORT, Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT);
        socket = new Socket(Inet4Address.getLocalHost(), PORT, Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT);
        */

        Socket socket = new Socket();
        // 绑定到本地20001端口
        socket.bind(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT));

        return socket;
    }

    private static void initSocket(Socket socket) throws SocketException {
    
    
        // 设置读取超时时间为2秒
        socket.setSoTimeout(2000);

        // 是否复用未完全关闭的Socket地址，对于指定bind操作后的套接字有效
        socket.setReuseAddress(true);

        // 是否开启Nagle算法
        socket.setTcpNoDelay(true);

        // 是否需要在长时无数据响应时发送确认数据（类似心跳包），时间大约为2小时
        socket.setKeepAlive(true);

        // 对于close关闭操作行为进行怎样的处理；默认为false，0
        // false、0：默认情况，关闭时立即返回，底层系统接管输出流，将缓冲区内的数据发送完成
        // true、0：关闭时立即返回，缓冲区数据抛弃，直接发送RST结束命令到对方，并无需经过2MSL等待
        // true、200：关闭时最长阻塞200毫秒，随后按第二情况处理
        socket.setSoLinger(true, 20);

        // 是否让紧急数据内敛，默认false；紧急数据通过 socket.sendUrgentData(1);发送
        socket.setOOBInline(true);

        // 设置接收发送缓冲器大小
        socket.setReceiveBufferSize(64 * 1024 * 1024);
        socket.setSendBufferSize(64 * 1024 * 1024);

        // 设置性能参数：短链接，延迟，带宽的相对重要性
        socket.setPerformancePreferences(1, 1, 0);
    }

    private static void todo(Socket client) throws IOException {
    
    
        // 得到Socket输出流
        OutputStream outputStream = client.getOutputStream();


        // 得到Socket输入流
        InputStream inputStream = client.getInputStream();
        byte[] buffer = new byte[256];
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer);

        // byte
        byteBuffer.put((byte) 126);

        // char
        char c = 'a';
        byteBuffer.putChar(c);

        // int
        int i = 2323123;
        byteBuffer.putInt(i);

        // bool
        boolean b = true;
        byteBuffer.put(b ? (byte) 1 : (byte) 0);

        // Long
        long l = 298789739;
        byteBuffer.putLong(l);


        // float
        float f = 12.345f;
        byteBuffer.putFloat(f);


        // double
        double d = 13.31241248782973;
        byteBuffer.putDouble(d);

        // String
        String str = "Hello你好！";
        byteBuffer.put(str.getBytes());

        // 发送到服务器
        outputStream.write(buffer, 0, byteBuffer.position() + 1);

        // 接收服务器返回
        int read = inputStream.read(buffer);
        System.out.println("收到数量：" + read);

        // 资源释放
        outputStream.close();
        inputStream.close();
    }
}

服务端

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.ByteBuffer;

public class Server {
    
    
    private static final int PORT = 20000;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocket server = createServerSocket();

        initServerSocket(server);

        // 绑定到本地端口上
        server.bind(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), PORT), 50);


        System.out.println("服务器准备就绪～");
        System.out.println("服务器信息：" + server.getInetAddress() + " P:" + server.getLocalPort());


        // 等待客户端连接
        for (; ; ) {
    
    
            // 得到客户端
            Socket client = server.accept();
            // 客户端构建异步线程
            ClientHandler clientHandler = new ClientHandler(client);
            // 启动线程
            clientHandler.start();
        }

    }

    private static ServerSocket createServerSocket() throws IOException {
    
    
        // 创建基础的ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();

        // 绑定到本地端口20000上，并且设置当前可允许等待链接的队列为50个
        //serverSocket = new ServerSocket(PORT);

        // 等效于上面的方案，队列设置为50个
        //serverSocket = new ServerSocket(PORT, 50);

        // 与上面等同
        // serverSocket = new ServerSocket(PORT, 50, Inet4Address.getLocalHost());

        return serverSocket;
    }

    private static void initServerSocket(ServerSocket serverSocket) throws IOException {
    
    
        // 是否复用未完全关闭的地址端口
        serverSocket.setReuseAddress(true);

        // 等效Socket#setReceiveBufferSize
        serverSocket.setReceiveBufferSize(64 * 1024 * 1024);

        // 设置serverSocket#accept超时时间
        // serverSocket.setSoTimeout(2000);

        // 设置性能参数：短链接，延迟，带宽的相对重要性
        serverSocket.setPerformancePreferences(1, 1, 1);
    }

    /**
     * 客户端消息处理
     */
    private static class ClientHandler extends Thread {
    
    
        private Socket socket;

        ClientHandler(Socket socket) {
    
    
            this.socket = socket;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            super.run();
            System.out.println("新客户端连接：" + socket.getInetAddress() +
                    " P:" + socket.getPort());

            try {
    
    
                // 得到套接字流
                OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
                InputStream inputStream = socket.getInputStream();

                byte[] buffer = new byte[256];
                int readCount = inputStream.read(buffer);
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer, 0, readCount);

                // byte
                byte be = byteBuffer.get();

                // char
                char c = byteBuffer.getChar();

                // int
                int i = byteBuffer.getInt();

                // bool
                boolean b = byteBuffer.get() == 1;

                // Long
                long l = byteBuffer.getLong();

                // float
                float f = byteBuffer.getFloat();

                // double
                double d = byteBuffer.getDouble();

                // String
                int pos = byteBuffer.position();
                String str = new String(buffer, pos, readCount - pos - 1);

                System.out.println("收到数量：" + readCount + " 数据："
                        + be + "\n"
                        + c + "\n"
                        + i + "\n"
                        + b + "\n"
                        + l + "\n"
                        + f + "\n"
                        + d + "\n"
                        + str + "\n");

                outputStream.write(buffer, 0, readCount);
                outputStream.close();
                inputStream.close();

            } catch (Exception e) {
    
    
                System.out.println("连接异常断开");
            } finally {
    
    
                // 连接关闭
                try {
    
    
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            System.out.println("客户端已退出：" + socket.getInetAddress() +
                    " P:" + socket.getPort());

        }
    }
}

工具类

public class Tools {
    
    
    public static int byteArrayToInt(byte[] b) {
    
    
        return b[3] & 0xFF |
                (b[2] & 0xFF) << 8 |
                (b[1] & 0xFF) << 16 |
                (b[0] & 0xFF) << 24;
    }

    public static byte[] intToByteArray(int a) {
    
    
        return new byte[]{
    
    
                (byte) ((a >> 24) & 0xFF),
                (byte) ((a >> 16) & 0xFF),
                (byte) ((a >> 8) & 0xFF),
                (byte) (a & 0xFF)
        };
    }
}