TCP/IP SOCKET編程詳解

Linux的SOCKET編程詳解

1. 網絡中進程之間如何通訊

進 程通訊的概念最初來源於單機系統。因爲每一個進程都在本身的地址範圍內運行，爲保證兩個相互通訊的進

程之間既互不干擾又協調一致工做，操做系統爲進程通訊提供了相應設施，如

UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）軟中斷信號（signal）

UNIX system V有：消息（message）、共享存儲區（shared memory）和信號量（semaphore)等.

他們都僅限於用在本機進程之間通訊。網間進程通訊要解決的是不一樣主機進程間的相互通訊問題（可把同機進程通訊看做是其中的特例）。爲此，首先要解決的是網間進程標識問題。同一主機上，不一樣進程可用進程號（process ID）惟一標識。但在網絡環境下，各主機獨立分配的進程號不能惟一標識該進程。例如，主機A賦於某進程號5，在B機中也能夠存在5號進程，所以，「5號進程」這句話就沒有意義了。 其次，操做系統支持的網絡協議衆多，不一樣協議的工做方式不一樣，地址格式也不一樣。所以，網間進程通訊還要解決多重協議的識別問題。 

其實TCP/IP協議族已經幫咱們解決了這個問題，網絡層的「ip地址」能夠惟一標識網絡中的主機，而傳輸層的「協議+端口」能夠惟一標識主機中的應用程序（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，端口）就能夠標識網絡的進程了，網絡中的進程通訊就能夠利用這個標誌與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協議的應用程序一般採用應用編程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通訊。就目前而言，幾乎全部的應用程序都是採用socket，而如今又是網絡時代，網絡中進程通訊是無處不在，這就是我爲何說「一切皆socket」。

2. 什麼是TCP/IP、UDP

     TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是爲廣域網（WANs）設計的。    

     TCP/IP協議存在於OS中，網絡服務經過OS提供，在OS中增長支持TCP/IP的系統調用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等

    UDP（User Data Protocol，用戶數據報協議）是與TCP相對應的協議。它是屬於TCP/IP協議族中的一種。如圖：

 

 

      TCP/IP協議族包括運輸層、網絡層、鏈路層，而socket所在位置如圖，Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層。

 

3. Socket是什麼

一、 socket套接字：

     socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是「一切皆文件」，均可以用「打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close」模式來操做。Socket就是該模式的一個實現，        socket便是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操做（讀/寫IO、打開、關閉）.
     說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通訊的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口後面，對用戶來講，一組簡單的接口就是所有，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。

       注意：其實socket也沒有層的概念，它只是一個facade設計模式的應用，讓編程變的更簡單。是一個軟件抽象層。在網絡編程中，咱們大量用的都是經過socket實現的。

二、套接字描述符

          其實就是一個整數，咱們最熟悉的句柄是0、一、2三個，0是標準輸入，1是標準輸出，2是標準錯誤輸出。0、一、2是整數表示的，對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是做爲UNIX操做系統的一部分而開發的，因此套接字API與系統的其餘I/O設備集成在一塊兒。特別是，當應用程序要爲因特網通訊而建立一個套接字（socket）時，操做系統就返回一個小整數做爲描述符（descriptor）來標識這個套接字。而後，應用程序以該描述符做爲傳遞參數，經過調用函數來完成某種操做（例如經過網絡傳送數據或接收輸入的數據）。

在許多操做系統中，套接字描述符和其餘I/O描述符是集成在一塊兒的，因此應用程序能夠對文件進行套接字I/O或I/O讀/寫操做。

當應用程序要建立一個套接字時，操做系統就返回一個小整數做爲描述符，應用程序則使用這個描述符來引用該套接字須要I/O請求的應用程序請求操做系統打開一個文件。操做系統就建立一個文件描述符提供給應用程序訪問文件。從應用程序的角度看，文件描述符是一個整數，應用程序能夠用它來讀寫文件。下圖顯示，操做系統如何把文件描述符實現爲一個指針數組，這些指針指向內部數據結構。

 

     對於每一個程序系統都有一張單獨的表。精確地講，系統爲每一個運行的進程維護一張單獨的文件描述符表。當進程打開一個文件時，系統把一個指向此文件內部數據結構的指針寫入文件描述符表，並把該表的索引值返回給調用者 。應用程序只需記住這個描述符，並在之後操做該文件時使用它。操做系統把該描述符做爲索引訪問進程描述符表，經過指針找到保存該文件全部的信息的數據結構。

      針對套接字的系統數據結構：

   1）、套接字API裏有個函數socket，它就是用來建立一個套接字。套接字設計的整體思路是，單個系統調用就能夠建立任何套接字，由於套接字是至關籠統的。一旦套接字建立後，應用程序還須要調用其餘函數來指定具體細節。例如調用socket將建立一個新的描述符條目：

   2）、雖然套接字的內部數據結構包含不少字段，可是系統建立套接字後，大多數字字段沒有填寫。應用程序建立套接字後在該套接字可使用以前，必須調用其餘的過程來填充這些字段。

三、文件描述符和文件指針的區別：

文件描述符：在linux系統中打開文件就會得到文件描述符，它是個很小的正整數。每一個進程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，每一個表項都有一個指向已打開文件的指針。

文件指針：C語言中使用文件指針作爲I/O的句柄。文件指針指向進程用戶區中的一個被稱爲FILE結構的數據結構。FILE結構包括一個緩衝區和一個文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一個索引，所以從某種意義上說文件指針就是句柄的句柄（在Windows系統上，文件描述符被稱做文件句柄）。

詳細內容請看linux文件系統：http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/6122513#t7

4. 基本的SOCKET接口函數

在生活中，A要電話給B，A撥號，B聽到電話鈴聲後提起電話，這時A和B就創建起了鏈接，A和B就能夠講話了。等交流結束，掛斷電話結束這次交談。  打電話很簡單解釋了這工做原理：「open—write/read—close」模式。

 

    服務器端先初始化Socket，而後與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端鏈接。在這時若是有個客戶端初始化一個Socket，而後鏈接服務器(connect)，若是鏈接成功，這時客戶端與服務器端的鏈接就創建了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，而後把迴應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最後關閉鏈接，一次交互結束。

      這些接口的實現都是內核來完成。具體如何實現，能夠看看linux的內核

4.一、socket()函數

int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd
     sockfd是描述符。

  socket函數對應於普通文件的打開操做。普通文件的打開操做返回一個文件描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它惟一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字同樣，後續的操做都有用到它，把它做爲參數，經過它來進行一些讀寫操做。

      正如能夠給fopen的傳入不一樣參數值，以打開不一樣的文件。建立socket的時候，也能夠指定不一樣的參數建立不一樣的socket描述符，socket函數的三個參數分別爲：

protofamily：即協議域，又稱爲協議族（family）。經常使用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名做爲地址。
type：指定socket類型。經常使用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
protocol：故名思意，就是指定協議。經常使用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。
注意：並非上面的type和protocol能夠隨意組合的，如SOCK_STREAM不能夠跟IPPROTO_UDP組合。當protocol爲0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。

當咱們調用socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。若是想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，不然就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

4.二、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函數的三個參數分別爲：

sockfd：即socket描述字，它是經過socket()函數建立了，惟一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不一樣而不一樣，如ipv4對應的是： 
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */
struct in_addr sin_addr; /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};
ipv6對應的是： 
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family; /* AF_INET6 */
in_port_t sin6_port; /* port number */
uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */
uint32_t sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */
};

struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16]; /* IPv6 address */
};
Unix域對應的是： 
#define UNIX_PATH_MAX 108

struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */
char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */
};
addrlen：對應的是地址的長度。
一般服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就能夠經過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲何一般服務器端在listen以前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是咱們日常說的大端和小端模式：不一樣的CPU有不一樣的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫作主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義以下：

　　a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序：4個字節的32 bit值如下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，而後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱做大端字節序。因爲TCP/IP首部中全部的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，所以它又稱做網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

因此：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成爲網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序同樣使用的是Big-Endian。因爲這個問題曾引起過血案！公司項目代碼中因爲存在這個問題，致使了不少莫名其妙的問題，因此請謹記對主機字節序不要作任何假定，務必將其轉化爲網絡字節序再賦給socket。

4.三、listen()、connect()函數

若是做爲一個服務器，在調用socket()、bind()以後就會調用listen()來監聽這個socket，若是客戶端這時調用connect()發出鏈接請求，服務器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函數的第一個參數即爲要監聽的socket描述字，第二個參數爲相應socket能夠排隊的最大鏈接個數。socket()函數建立的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變爲被動類型的，等待客戶的鏈接請求。

connect函數的第一個參數即爲客戶端的socket描述字，第二參數爲服務器的socket地址，第三個參數爲socket地址的長度。客戶端經過調用connect函數來創建與TCP服務器的鏈接。

4.四、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()以後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()以後就向TCP服務器發送了一個鏈接請求。TCP服務器監聽到這個請求以後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣鏈接就創建好了。以後就能夠開始網絡I/O操做了，即類同於普通文件的讀寫I/O操做。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回鏈接connect_fd

參數sockfd
參數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個端口，當有一個客戶與服務器鏈接時，它使用這個一個端口號，而此時這個端口號正與這個套接字關聯。固然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個端口號。
參數addr
這是一個結果參數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，固然這個地址是經過某個地址結構來描述的，用戶應該知道這一個什麼樣的地址結構。若是對客戶的地址不感興趣，那麼能夠把這個值設置爲NULL。
參數len
如同你們所認爲的，它也是結果的參數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所佔有的字節個數。一樣的，它也能夠被設置爲NULL。
若是accept成功返回，則服務器與客戶已經正確創建鏈接了，此時服務器經過accept返回的套接字來完成與客戶的通訊。

注意：

      accept默認會阻塞進程，直到有一個客戶鏈接創建後返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是鏈接套接字。

此時咱們須要區分兩種套接字，

       監聽套接字: 監聽套接字正如accept的參數sockfd，它是監聽套接字，在調用listen函數以後，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱爲監聽socket描述字(監聽套接字)

       鏈接套接字：一個套接字會從主動鏈接的套接字變身爲一個監聽套接字；而accept函數返回的是已鏈接socket描述字(一個鏈接套接字)，它表明着一個網絡已經存在的點點鏈接。

        一個服務器一般一般僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命週期內一直存在。內核爲每一個由服務器進程接受的客戶鏈接建立了一個已鏈接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已鏈接socket描述字就被關閉。

        天然要問的是：爲何要有兩種套接字？緣由很簡單，若是使用一個描述字的話，那麼它的功能太多，使得使用很不直觀，同時在內核確實產生了一個這樣的新的描述字。

鏈接套接字socketfd_new 並無佔用新的端口與客戶端通訊，依然使用的是與監聽套接字socketfd同樣的端口號

4.五、read()、write()等函數

萬事具有隻欠東風，至此服務器與客戶已經創建好鏈接了。能夠調用網絡I/O進行讀寫操做了，即實現了網咯中不一樣進程之間的通訊！網絡I/O操做有下面幾組：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上能夠把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明以下：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，若是返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。若是錯誤爲EINTR說明讀是由中斷引發的，若是是ECONNREST表示網絡鏈接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。 在網絡程序中，當咱們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是所有的數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。咱們要根據錯誤類型來處理。若是錯誤爲EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。若是爲EPIPE表示網絡鏈接出現了問題(對方已經關閉了鏈接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

4.六、close()函數

在服務器與客戶端創建鏈接以後，會進行一些讀寫操做，完成了讀寫操做就要關閉相應的socket描述字，比如操做完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一個TCP socket的缺省行爲時把該socket標記爲以關閉，而後當即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再做爲read或write的第一個參數。

注意：close操做只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數爲0的時候，纔會觸發TCP客戶端向服務器發送終止鏈接請求。

 

5. Socket中TCP的創建（三次握手）

TCP協議經過三個報文段完成鏈接的創建，這個過程稱爲三次握手(three-way handshake)，過程以下圖所示。
第一次握手：創建鏈接時，客戶端發送syn包(syn=j)到服務器，並進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認；SYN：同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手：服務器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時本身也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態；
第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。
一個完整的三次握手也就是： 請求---應答---再次確認。

對應的函數接口：
       

從圖中能夠看出，當客戶端調用connect時，觸發了鏈接請求，向服務器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到鏈接請求，即收到SYN J包，調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1以後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，鏈接創建。

咱們能夠經過網絡抓包的查看具體的流程：
好比咱們服務器開啓9502的端口。使用tcpdump來抓包：

 tcpdump -iany tcp port 9502

而後咱們使用telnet 127.0.0.1 9502開鏈接.:
telnet 127.0.0.1 9502

14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378, win 32792, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 0,nop,wscale 3], length 0（1）
14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379, win 32768, options [mss 16396,sackOK,TS val 255474104 ecr 255474104,nop,wscale 3], length 0  （2）
14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255474104 ecr 255474104], length 0  （3）

14:13:01.415407 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
14:13:01.415432 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
14:13:01.415747 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
14:13:01.415757 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0

114:12:45.104687 時間帶有精確到微妙
localhost.39870 > localhost.9502 表示通訊的流向，39870是客戶端，9502是服務器端
[S] 表示這是一個SYN請求
[S.] 表示這是一個SYN+ACK確認包: 
[.] 表示這是一個ACT確認包， (client)SYN->(server)SYN->(client)ACT 就是3次握手過程
[P] 表示這個是一個數據推送，能夠是從服務器端向客戶端推送，也能夠從客戶端向服務器端推
[F] 表示這是一個FIN包，是關閉鏈接操做，client/server都有可能發起
[R] 表示這是一個RST包，與F包做用相同，但RST表示鏈接關閉時，仍然有數據未被處理。能夠理解爲是強制切斷鏈接
win 4099 是指滑動窗口大小
length 18指數據包的大小

咱們看到 （1）（2）（3）三步是創建tcp：
第一次握手：
14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378
客戶端IP localhost.39870 (客戶端的端口通常是自動分配的) 向服務器localhost.9502 發送syn包(syn=j)到服務器》
syn包(syn=j) ： syn的seq= 2927179378  （j=2927179378）

第二次握手：
14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379,
收到請求並確認：服務器收到syn包，並必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時本身也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包：
此時服務器主機本身的SYN：seq：y= syn seq 1721825043。
ACK爲j+1 =（ack=j+1）=ack 2927179379 

第三次握手：
14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1,
客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=k+1)

客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態後，能夠進行通訊數據交互。此時和accept接口沒有關係，即便沒有accepte，也進行3次握手完成。
鏈接出現鏈接不上的問題，通常是網路出現問題或者網卡超負荷或者是鏈接數已經滿啦。

紫色背景的部分：
IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
客戶端向服務器發送長度爲7個字節的數據，

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
服務器向客戶確認已經收到數據

 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
而後服務器同時向客戶端寫入數據。

 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
客戶端向服務器確認已經收到數據

這個就是tcp可靠的鏈接，每次通訊都須要對方來確認。

6. TCP鏈接的終止（四次握手釋放）

創建一個鏈接須要三次握手，而終止一個鏈接要通過四次握手，這是由TCP的半關閉(half-close)形成的，如圖：

因爲TCP鏈接是全雙工的，所以每一個方向都必須單獨進行關閉。這個原則是當一方完成它的數據發送任務後就能發送一個FIN來終止這個方向的鏈接。收到一個 FIN只意味着這一方向上沒有數據流動，一個TCP鏈接在收到一個FIN後仍能發送數據。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另外一方執行被動關閉。

（1）客戶端A發送一個FIN，用來關閉客戶A到服務器B的數據傳送（報文段4）。

（2）服務器B收到這個FIN，它發回一個ACK，確認序號爲收到的序號加1（報文段5）。和SYN同樣，一個FIN將佔用一個序號。

（3）服務器B關閉與客戶端A的鏈接，發送一個FIN給客戶端A（報文段6）。

（4）客戶端A發回ACK報文確認，並將確認序號設置爲收到序號加1（報文段7）。

對應函數接口如圖：

過程以下：

某個應用進程首先調用close主動關閉鏈接，這時TCP發送一個FIN M；
另外一端接收到FIN M以後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也做爲文件結束符傳遞給應用進程，由於FIN的接收意味着應用進程在相應的鏈接上再也接收不到額外數據；
一段時間以後，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這致使它的TCP也發送一個FIN N；
接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。
這樣每一個方向上都有一個FIN和ACK。

1．爲何創建鏈接協議是三次握手，而關閉鏈接倒是四次握手呢？

這是由於服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的建連請求後，它能夠把ACK和SYN（ACK起應答做用，而SYN起同步做用）放在一個報文裏來發送。但關閉鏈接時，當收到對方的FIN報文通知時，它僅僅表示對方沒有數據發送給你了；但未必你全部的數據都所有發送給對方了，因此你能夠未必會立刻會關閉SOCKET,也即你可能還須要發送一些數據給對方以後，再發送FIN報文給對方來表示你贊成如今能夠關閉鏈接了，因此它這裏的ACK報文和FIN報文多數狀況下都是分開發送的。

2．爲何TIME_WAIT狀態還須要等2MSL後才能返回到CLOSED狀態？

這是由於雖然雙方都贊成關閉鏈接了，並且握手的4個報文也都協調和發送完畢，按理能夠直接回到CLOSED狀態（就比如從SYN_SEND狀態到ESTABLISH狀態那樣）；可是由於咱們必需要假想網絡是不可靠的，你沒法保證你最後發送的ACK報文會必定被對方收到，所以對方處於LAST_ACK狀態下的SOCKET可能會由於超時未收到ACK報文，而重發FIN報文，因此這個TIME_WAIT狀態的做用就是用來重發可能丟失的ACK報文。

 

 

 

7. Socket編程實例

服務器端：一直監聽本機的8000號端口，若是收到鏈接請求，將接收請求並接收客戶端發來的消息，並向客戶端返回消息。

/* File Name: server.c */
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#define DEFAULT_PORT 8000
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
int socket_fd, connect_fd;
struct sockaddr_in servaddr;
char buff[4096];
int n;
//初始化Socket
if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
//初始化
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址設置成INADDR_ANY,讓系統自動獲取本機的IP地址。
servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//設置的端口爲DEFAULT_PORT

//將本地地址綁定到所建立的套接字上
if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
//開始監聽是否有客戶端鏈接
if( listen(socket_fd, 10) == -1){
printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}
printf("======waiting for client's request======\n");
while(1){
//阻塞直到有客戶端鏈接，否則多浪費CPU資源。
if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
continue;
}
//接受客戶端傳過來的數據
n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0);
//向客戶端發送迴應數據
if(!fork()){ /*紫禁城*/
if(send(connect_fd, "Hello,you are connected!\n", 26,0) == -1)
perror("send error");
close(connect_fd);
exit(0);
}
buff[n] = '\0';
printf("recv msg from client: %s\n", buff);
close(connect_fd);
}
close(socket_fd);
}
客戶端：

/* File Name: client.c */

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096


int main(int argc, char** argv)
{
int sockfd, n,rec_len;
char recvline[4096], sendline[4096];
char buf[MAXLINE];
struct sockaddr_in servaddr;


if( argc != 2){
printf("usage: ./client <ipaddress>\n");
exit(0);
}


if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);
exit(0);
}


memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8000);
if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);
exit(0);
}


if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
exit(0);
}


printf("send msg to server: \n");
fgets(sendline, 4096, stdin);
if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
{
printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
exit(0);
}
if((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE,0)) == -1) {
perror("recv error");
exit(1);
}
buf[rec_len] = '\0';
printf("Received : %s ",buf);
close(sockfd);
exit(0);
}
inet_pton 是Linux下IP地址轉換函數，能夠在將IP地址在「點分十進制」和「整數」之間轉換 ，是inet_addr的擴展。

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//轉換字符串到網絡地址:
第一個參數af是地址族，轉換後存在dst中
    af = AF_INET:src爲指向字符型的地址，即ASCII的地址的首地址（ddd.ddd.ddd.ddd格式的），函數將該地址轉換爲in_addr的結構體，並複製在*dst中
　　af =AF_INET6:src爲指向IPV6的地址，函數將該地址轉換爲in6_addr的結構體，並複製在*dst中
若是函數出錯將返回一個負值，並將errno設置爲EAFNOSUPPORT，若是參數af指定的地址族和src格式不對，函數將返回0。
測試：

編譯server.c

gcc -o server server.c

啓動進程：

./server

顯示結果：

======waiting for client's request======

並等待客戶端鏈接。

編譯 client.c

gcc -o client server.c

客戶端去鏈接server：

./client 127.0.0.1 

等待輸入消息

 

發送一條消息，輸入：c++

 

此時服務器端看到：

 

客戶端收到消息：

 

其實能夠不用client,可使用telnet來測試：

telnet 127.0.0.1 8000

 

 

注意：

在ubuntu 編譯源代碼的時候，頭文件types.h可能找不到。
使用dpkg -L libc6-dev | grep types.h 查看。
若是沒有，可使用
apt-get install libc6-dev安裝。
若是有了，但不在/usr/include/sys/目錄下，手動把這個文件添加到這個目錄下就能夠了。

(部份內容來自吳秦：http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html)