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一文理清TCP协议的通讯流程

news 2025/9/1 7:32:16

       

目录

一、TCP通信全流程：

二、三次握手：连接建立的协同过程

客户端视角

服务端视角

为什么需要三次？从双方角度理解

三、数据传输阶段：双向数据流

客户端的数据传输

服务端的数据传输

双向通信的特点

四、四次挥手：连接释放的协同过程

主动关闭方（以客户端为例）

被动关闭方（服务端）

为什么需要四次挥手？双向释放的必要性

五、异常情况处理

连接建立异常

数据传输异常

连接释放异常

六、实际通信代码样例：

多客户端支持

使用IO多路复用

        TCP通信是一个双向的过程，需要客户端和服务端的协同配合才能完成可靠的连接建立、数据传输和连接释放。本文将从通信双方的视角，完整解析TCP通信的全生命周期，深入探讨三次握手和四次挥手的必要性。

一、TCP通信全流程：

二、三次握手：连接建立的协同过程

客户端视角

  1. 主动打开：应用程序调用connect()函数

  2. 发送SYN：向服务器发送SYN包，序列号为x，进入SYN_SENT状态

  3. 等待响应：阻塞等待服务器的SYN-ACK响应

  4. 确认连接：收到SYN-ACK后发送ACK，进入ESTABLISHED状态

服务端视角

  1. 被动打开：应用程序调用listen()后调用accept()阻塞等待

  2. 接收SYN：收到客户端的SYN包，进入SYN_RCVD状态

  3. 发送SYN-ACK：回复SYN-ACK包，序列号为y，确认号为x+1

  4. 等待确认：等待客户端的ACK确认，收到后进入ESTABLISHED状态

为什么需要三次？从双方角度理解

客户端需要确认的：

  • 服务器确实存在且正在监听

  • 服务器能够正常接收和发送数据

  • 自己的发送能力正常（通过收到响应确认）

服务器需要确认的：

  • 客户端确实想要建立连接

  • 客户端能够正常接收和发送数据

  • 客户端的网络地址有效且可达

如果只有两次握手的问题：

  • 旧的重复SYN包可能导致服务器错误建立连接

  • 服务器无法确认客户端的接收能力是否正常

  • 可能造成服务器资源浪费（为无效连接分配资源）

三、数据传输阶段：双向数据流

客户端的数据传输

// 客户端发送数据
write(sockfd, request_data, request_size);// 客户端接收响应
read(sockfd, response_buffer, buffer_size);

服务端的数据传输

// 服务端接收请求
read(connfd, request_buffer, buffer_size);// 处理请求后发送响应
write(connfd, response_data, response_size);

双向通信的特点

  1. 全双工通信：双方可以同时发送和接收数据

  2. 流量控制：通过滑动窗口机制协调发送速率

  3. 拥塞控制：根据网络状况动态调整发送速率

  4. 可靠传输：通过序列号、确认和重传机制保证可靠性

四、四次挥手：连接释放的协同过程

主动关闭方（以客户端为例）

  1. 发送FIN：应用程序调用close()，发送FIN包，进入FIN_WAIT_1状态

  2. 等待ACK：收到服务器的ACK后，进入FIN_WAIT_2状态

  3. 等待FIN：等待服务器的FIN包

  4. 发送最终ACK：收到FIN后发送ACK，进入TIME_WAIT状态

  5. 等待2MSL：等待2倍最大段生存时间后进入CLOSED状态

被动关闭方（服务端）

  1. 接收FIN：收到客户端的FIN包，进入CLOSE_WAIT状态

  2. 发送ACK：立即发送ACK确认

  3. 应用层处理：完成剩余数据的发送（如果有）

  4. 发送FIN：应用程序调用close()，发送FIN包，进入LAST_ACK状态

  5. 等待ACK：等待客户端的ACK确认，收到后进入CLOSED状态

为什么需要四次挥手？双向释放的必要性

从全双工特性理解：

  • TCP连接是全双工的，有两个独立的数据通道

  • 每个方向都需要单独关闭

  • 一方发送FIN只表示"我不会再发送数据了"，但还可以接收数据

客户端需要：

  • 确保服务器收到自己的关闭请求

  • 确认服务器也没有数据要发送了

  • 处理可能延迟到达的数据包

服务器需要：

  • 确认客户端的关闭意图

  • 完成可能尚未发送完的数据

  • 确保客户端知道服务器也要关闭了

TIME_WAIT状态的意义：

  • 确保最后一个ACK被正确接收（如果丢失，服务器会重传FIN）

  • 让旧的重复数据包在网络中消失，避免影响新连接

  • 标准的2MSL等待时间（通常是2分钟）

五、异常情况处理

连接建立异常

  • SYN超时：客户端SYN未收到响应，会重试多次

  • SYN Flood攻击：恶意发送大量SYN包消耗服务器资源

数据传输异常

  • 数据包丢失：通过超时重传机制解决

  • 网络拥塞：通过拥塞控制算法调整发送速率

连接释放异常

  • FIN丢失：通过重传机制确保FIN被正确接收

  • 机器崩溃：通过keepalive机制检测连接状态

六、实际通信代码样例：

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024
#define BACKLOG 5void handle_client(int connfd, struct sockaddr_in client_addr) {char buffer[BUFFER_SIZE];ssize_t n;printf("客户端 %s:%d 已连接\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));// 接收和处理数据while ((n = read(connfd, buffer, sizeof(buffer) - 1)) > 0) {buffer[n] = '\0';printf("收到来自 %s:%d 的消息: %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port),buffer);// 处理请求（这里简单回显）char response[BUFFER_SIZE];snprintf(response, sizeof(response), "服务器已收到: %s", buffer);// 发送响应if (write(connfd, response, strlen(response)) < 0) {perror("write error");break;}printf("已发送响应给客户端\n");}if (n == 0) {printf("客户端 %s:%d 关闭了连接\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));} else if (n < 0) {perror("read error");}close(connfd);printf("连接已关闭\n\n");
}//char buffer[] = "Hello World";
//char response[100];//snprintf(response, sizeof(response), "服务器已收到: %s", buffer);
//response的内容变为: "服务器已收到: Hello World"int main() {int listenfd, connfd;struct sockaddr_in serv_addr, client_addr;socklen_t client_len = sizeof(client_addr);// 1. 创建socketif ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Socket创建成功\n");// 设置SO_REUSEADDR选项，避免地址占用错误int opt = 1;if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {perror("setsockopt failed");close(listenfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 绑定地址和端口memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;serv_addr.sin_port = htons(PORT);if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {perror("bind failed");close(listenfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("绑定端口 %d 成功\n", PORT);// 3. 开始监听if (listen(listenfd, BACKLOG) < 0) {perror("listen failed");close(listenfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("开始监听，等待客户端连接...\n\n");// 4. 接受和处理客户端连接while (1) {if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len)) < 0) {perror("accept failed");continue;}// 处理客户端连接（这里使用阻塞方式，实际应用中可用多线程或IO多路复用）handle_client(connfd, client_addr);}close(listenfd);return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024void communicate_with_server(int sockfd) {char buffer[BUFFER_SIZE];ssize_t n;printf("已连接到服务器，开始通信（输入'quit'退出）\n");while (1) {// 获取用户输入printf("请输入消息: ");fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);// 去除换行符buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;// 检查退出条件if (strcmp(buffer, "quit") == 0) {printf("正在关闭连接...\n");break;}// 发送数据到服务器if (write(sockfd, buffer, strlen(buffer)) < 0) {perror("write failed");break;}printf("已发送: %s\n", buffer);// 接收服务器响应n = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n < 0) {perror("read failed");break;} else if (n == 0) {printf("服务器关闭了连接\n");break;} else {buffer[n] = '\0';printf("服务器响应: %s\n", buffer);}}
}int main() {int sockfd;struct sockaddr_in serv_addr;// 1. 创建socketif ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Socket创建成功\n");// 2. 设置服务器地址memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(PORT);if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {perror("invalid address");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 连接到服务器（发起三次握手）printf("正在连接到服务器 %s:%d...\n", SERVER_IP, PORT);if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {perror("connection failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("连接成功！\n");// 4. 与服务器通信communicate_with_server(sockfd);// 5. 关闭连接（发起四次挥手）printf("关闭socket...\n");close(sockfd);return 0;
}

运行效果：

多客户端支持

当前服务端是阻塞的，可以改为：

// 使用多线程
#include <pthread.h>
void* client_thread(void* arg) {int connfd = *(int*)arg;// 处理客户端close(connfd);free(arg);return NULL;
}// 在accept后
int* client_sock = malloc(sizeof(int));
*client_sock = connfd;
pthread_t thread;
pthread_create(&thread, NULL, client_thread, client_sock);
pthread_detach(thread);

使用IO多路复用

// 使用select/poll/epoll处理多个客户端
fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(listenfd, &readfds);// 添加监控和事件处理循环

以上便是TCP通信的全过程，包括连接建立、数据传输和连接释放的所有阶段。

http://www.xdnf.cn/news/1410877.html

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