深入理解TCP通信

这大概是自己博客上面第三次写TCP通信demo了，总是写同样的内容也不太好啊，不过每一次都比前一次进步一点。这次主要使用了VIM编辑工具、gdb调试、wireshirk、netstat查看网络状态。
参考《C++服务器视频教程》、《Unix网络编程》

一、VIM常用命令

vim server.cpp    #打开一个文件
:w   写入文件
:wq 保存并退出
:q! 不保存退出

显示行号  :set nu
设置tab键缩进： set tabstop?   settabstop=4
set tabstop=2             设置tab宽度
set softtabstop=2         设置Backspace回退量
set shiftwidth=2          设置'>'和'<'缩进量

x 向后删除一个字符
X 向前删除一个字符
gg   跳转到文件首行
shift g  跳转到文件末行
o 当前句子下面添加一行  O当前句子上面一行   
a追加

3pp 复制3行
yy 粘贴
dd 删除当前行

u 撤销上次操作
ctrl+r 恢复撤销

二、TCP重难点知识点

1. OSI七层模型和TCP/IP模型

OSI七层模型是学术产物，自上到下封装，自下到上拆包。优点：分层思想；缺点：过于复杂。
TCP/IP模型是实践产物，借鉴了数据进入协议的封装：应用层-传输层-网络层-链路层

2. IP层

特点：不可靠（unreliable）、无连接（connectionless）
思考：
1）这样做相对于强有线连接有什么好处？
答：从我们惯性思考来说，我们对每一个连接，建立一个类似电话通讯的强连接，这样能保证数据稳定可靠传输。结果真的是这样吗？比如我们将中国和美国之间建立一个专用通信线路，中间需要几十路中转，那么任何一个环节故障，这个数据就有可能丢失，而IP通过路由选择，有可能有多条路径，数据反而稳定的多。其二，专用线路数据在传输一半时出故障，那么重传时如何传输呢，重新传输所有数据？因此，专用通信线路并不一定是好的选择。
2）IP层的路由选择
对应用开发工程师来讲，我们需要知道路由表、路由协议、以及路由选择这些概念。IP层并不能保证数据有序，因为IP路由对数据包进行不同的路由选择，可能导致数据顺序的变化，后发送的有可能先到达。
3）IP数据报格式
IP数据报首部字段为20字节，最大可设置为15*4=60字节。MTU=1500字节，IP数据报有可能是分片的。

2. TCP

TCP是全双工协议
1）TCP是如何利用IP的？

TCP将应用程序的传输数据分割成合适的数据库
定时器
延迟确认
检验和
流量控制（主机A根据主机B空闲的空间而确定合适速率发送）

2）TCP数据格式
TCP认为数据是基于字节流的、没有边界，因此TCP不对字节流做任何解释。因此进而引出类似粘包的问题。
我们可以通过设置分隔符、加标志位等方法进行数据分割。
3）TCP数据报格式

2字节源端口、2字节目的端口（端口放在首部有一定好处：区分数据）
序列号sequence number ，确认后ack number（作用：timer对每个编号的数据进行计时；数据确认使用）
checksum
Flag (URG=1,对urgent pointer数据优先处理；PSH=1,通知对方尽快推送到应用层梳理；RST=1；SYN=1；ACK=1；FIN=1）
window size 可通过option选项对其扩大（默认2^16,最大2^30）

4）TCP四种定时器

重传定时器数据未确认超时
坚持定时器（persist）当对方窗口大小为0时启动，探测作用
保活计时器（keepAlive）定期判断对方是否工作，一般建议应用层做心跳检测
2MSL定时器（TimeWait）

5）TCP状态变迁

5）TCP三次握手示意图
在这里插入图片描述

5）TCP四次挥手示意图
在这里插入图片描述

5）TCP相关API

close() 双向关闭 shutdown() 可配置单向关闭
write() 返回的字节数仅写入到了操作系统层，并不能说明成功发送到对端

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listen() 监听队列相关问题
read() >0 =0 <0 的分析
这些函数都需要根据返回值和错误变量errno进行分析，比较麻烦。
select、poll 处理多个连接的读、写、以及错误状态。
效率较低，一般公司都会使用自己平台下的库处理高并发：Linux(epoll)，Windows(Iocp)…
getsockopt() setsockopt() 设置sockt的一系列属性：比如地址可复用、Negle算法、buf大小。

三、TCP通信示例

该代码在有异常出现时，能够首先将已打开/占用的资源关闭，这是一个很好的工程习惯。
该代码在发送和接收数据时，根据已发送/接收字节数，循环处理余下的数据，这种思路非常值得借鉴，徐晓鑫的书中也是这样做的。
缺点是不能真正用于工程中，出现异常时不要强制退出，而是采用相应的措施，当然这是后话。
server.cpp

//thie server  file is edited by vim

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>


int main() {
	char hello[] = "hello world";
	struct sockaddr_in sa;
	int socketFd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
	
	if(-1 == socketFd) {
		perror("cannot create socket");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	int opt = SO_REUSEADDR;
    //设置socket属性，端口可以重用
    setsockopt(socketFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
	memset(&sa,0,sizeof(sa));

	sa.sin_family = AF_INET;
	sa.sin_port = htons(2222);
	sa.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

	if(-1 == bind(socketFd,(struct sockaddr*)&sa, sizeof(sa))) {
		perror("bind falied"); 
		close(socketFd);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	if(-1 == listen(socketFd,10)) {
		perror("listen failed");
		close(socketFd);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	
	for(;;) {
		//for every connectfd, send only one world...
		int connectFd = accept(socketFd,NULL,NULL);
			if(0 > connectFd) {
			perror("accept failed");
			close(socketFd);
			exit(EXIT_FAILURE);
		}
	
		int writeSize = 0;
		size_t totalWrite = 0;//unsigned int
		while(totalWrite < sizeof(hello)) {
			writeSize = write(connectFd,hello + totalWrite, sizeof(hello) - totalWrite);
			if( -1 == writeSize) {
				perror("write failed");
				close(connectFd);
				close(socketFd);
				exit(EXIT_FAILURE);
			}
			totalWrite += writeSize;
		}
		
		if(-1 == shutdown(connectFd,SHUT_RDWR)) {
			perror("shutdown failed");
			close(connectFd);
			close(socketFd);
		}
		
		close(connectFd);
	}
   
	close(socketFd);
	return EXIT_SUCCESS;
}

client.cpp


//thie client  file is edited by vim

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main() {
	struct sockaddr_in sa;
	int res;
	int socketFd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);

	if(-1 == socketFd) {
		perror("cannot create socket");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}	
	
	memset(&sa,0,sizeof(sa));
	sa.sin_family = AF_INET;
	sa.sin_port = htons(2222);
	res = inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&sa.sin_addr);

	if(-1 == connect(socketFd,(struct sockaddr*)&sa,sizeof(sa))) {
		perror("connect failed");
		close(socketFd);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	char buffer[512];
	int totalRead = 0;
	for(;;) {
		int readSize = 0;
		readSize = read(socketFd,buffer + totalRead, sizeof(buffer) - totalRead);
		printf("readSize:%d\n",readSize);
		if(0 == readSize) {
			//read all
			break;
		} else if(-1 == readSize) {
			perror("read failed");
			close(socketFd);
			exit(EXIT_FAILURE);
		}
		totalRead += readSize;
	}
	buffer[totalRead] = 0;
	printf("get from server: %s\n",buffer);

	//perform read write operations...

	(void)shutdown(socketFd,SHUT_RDWR);
	close(socketFd);
	return EXIT_SUCCESS;

}

测试：
主动关闭的一方出现TIME_WAIT状态。
在这里插入图片描述