网络编程基础(3)-协议概要-TCP的连接管理

连接的建立与断开

TCP是一个面向连接的协议。无论哪一方发送数据之前,都必须先在双方之间建立一条连接。

三次握手建立连接

这里写图片描述
第一次握手:客户端向服务端发起连接请求包(称为SYN包),设置SYN标志位为1,设置序列号seq为X。

第二次握手:服务端收到客户端发来的SYN包后,向客户端发送设置了SYN标志和ACK标志都为1,序列号seq为Y,确认应答号ack为客户序列号+1(ack=X+1)的包(称为SYN+ACK包)。

第三次握手:客户端收到服务端发送来的SYN+ACK包后,向服务端发送一个设置了ACK标志为1,序列号seq为服务端确认应答号,确认应答号ack为服务端序列号+1(ack=Y+1)的包(称为ACK包)。
通过三次握手后,就可以相互发送数据了。

当一个连接建立时,双方会通过在TCP首部中写入MSS选项(MSS选项只能出现在SYN包中)通告各自的MSS(最大报文段长度),然后在两者之间选择一个较小的MSS值使用。如果某一方的MSS值被省略,则MSS设定为默认值536字节(IP包的长度不超过576字节,包括IP首部20字节、TCP首部20字节、MSS536字节)。一般来说,如果没有分段发生,MSS值还是越大越好。这个值TCP协议在实现的时候往往用MTU值代替(需要减去IP首部20字节和TCP首部20字节),所以一般MSS值1460。

连接的建立可能超时。很多情况下可能导致连接超时。如服务端主机不在正常状态,这时候,客户端会隔一段时间重复发送SYN包,试图建立连接,当多次重复依然没能建立连接之后,客户端放弃连接。

四次挥手断开连接

断开一个TCP连接需要四次挥手,TCP连接是全双工的(数据在两个方向上能同时传递),每个方向必须单独地进行关闭。

这里写图片描述

第一次挥手:客户端给服务端发送TCP包,用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1,序列号seq为X,确认应答号ack为Z。

第二次挥手:服务端收到FIN包后,发回一个设置了ACK标志为1,序列号seq为收到的客户确认应答号Z,确认应答ack为收到的客户序列号+1(ack=X+1)包。

第三次挥手:服务端向客户端发送TCP包,用来关闭服务端到客户端的数据传送。将FIN和ACK标志置为1,序列号seq为Y,确认应答号ack为收到的客户序列号+1(ack = X+1)的包。

第四次挥手:客户端收到服务端发来的FIN包后,发回一个设置了ACK标志为1,序列号seq为收到的服务端的确认应答号(seq=X+1),确认应答号ack为收到的服务端的序列号+1(ack=Y+1)包。
经过四次挥手,连接彻底断开。

这里注意下,TCP有半关闭的特性,TCP提供了连接的一端在结束它的发送后还能继续接收来自另一端数据的能力。如在上面的四次挥手图中,在第二次挥手后,服务端可以继续向客户端发送数据,客户端可以接收数据并回复确认应答。

TCP状态机

经典的TCP状态变迁图:

这里写图片描述

各种状态的解释:

CLOSED:初始状态或关闭状态。对服务端和客户端双方都一样。

LISTEN:监听状态。服务端等待连接进入。

SYN_SENT:客户端已经发送了连接请求,等待服务端确认。

SYN_RCVD:服务端收到客户端的连接请求即进入该状态,但尚未确认,随后发送ACK+SYN给客户端。

ESTABLISHED:连接已经建立成功,进入正常数据传输状态。

FIN_WAIT_1:(主动关闭方)发送关闭请求,等待确认。

CLOSE_WAIT:(被动关闭方)收到对方的关闭请求,回复确认应答,进入该状态。

FIN_WAIT_2:(主动关闭方)收到对方的关闭确认应答,等待对方关闭请求。

LAST_ACK:(被动关闭方)发送关闭请求,等待确认。当收到确认应答后就进入CLOSED状态。

TIME_WAIT:(主动关闭方)收到对方关闭请求,进入该状态,随即发送最后一个确认应答。等待2MSL后回到CLOSED状态。如果在FIN_WAIT_1状态下,收到对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING:双方同时关闭连接,就会出现该状态。

由下面的状态变化过程,对照上面的状态变迁图,以便明白每个状态的变化。
这里写图片描述

TIME_WAIT状态

time_wait状态又称2MSL(报文段最大生存时间)等待状态,主动关闭方收到对方的FIN包后就进入TIME_WAIT状态,随即发回最后一个ACK,该连接必须在此状态停留2倍MSL的时间。
目的:
1,实现可靠的连接断开。如果主动关闭方发送的最后一个ACK丢失了,被动关闭方会重发FIN包,因此主动关闭端需要维持状态信息,以允许它重新发送最终的ACK。
2,防止这些迷路迟到的报文影响新连接,你要知道,有些自做主张的路由器会缓存IP数据包,如果连接被重用了,那么这些延迟收到的包就有可能会跟新连接混在一起。此状态期间,该连接不能再被使用,任何迟到的报文都会丢弃。

复位报文段

无论何时在一个TCP连接中出现差错,TCP都会发送一个复位报文段(TCP首部中RST位置为1)。

目的端口未打开:连接请求到达时,目的端口没有进程监听。对于UDP,当一个数据报到达目的端口时,如果该端口没有在使用,那么将会产生一个ICMP端口不可达的消息。对于TCP则产生一个复位报文段。

异常终止连接:通过发送FIN的方式正常终止连接,称为有序释放。因为在所有排队数据都发送完后才发送FIN,一般情况下没有数据丢失。而通过发送一个RST报文段报文段的方式中途终止连接,称为异常释放。这是因为发送RST报文段关闭连接时,不必等缓冲区的包都发出去,直接就丢弃缓冲区的包。而接收端收到RST报文段后,也根本不发送ACK包来确认,而是直接终止连接,并通知应用层连接复位。

检测半打开连接:如果一方已经关闭或异常终止连接而另一方却还不知道,我们将这样的TCP连接称为半打开(Half-Open)的。任何一端的主机异常都可能导致发生这种情况。只要不打算在半打开连接上传输数据,仍处于连接状态的一方就不会检测另一方已经出现异常。半打开连接的另一个常见原因是当服务器主机突然掉电而不是正常的结束服务应用程序后再关机,服务器主机重启后,从客户向服务器发送另一行字符。由于服务器的TCP已经重新启动,它将丢失复位前连接的所有信息,因此它不知道数据报文段中提到的连接。TCP的处理原则是接收方以复位作为应答。

### 光流法C++源代码解析与应用 #### 光流法原理 光流法是一种在计算机视觉领域中用于追踪视频序列中运动物体的方法。它基于亮度不变性假设,即场景中的点在时间上保持相同的灰度值,从而通过分析连续帧之间的像素变化来估计运动方向和速度。在数学上,光流场可以表示为像素位置和时间的一阶导数,即Ex、Ey(空间梯度)和Et(时间梯度),它们共同构成光流方程的基础。 #### C++实现细节 在给定的C++源代码片段中,`calculate`函数负责计算光流场。该函数接收一个图像缓冲区`buf`作为输入,并初始化了几个关键变量:`Ex`、`Ey`和`Et`分别代表沿x轴、y轴和时间轴的像素强度变化;`gray1`和`gray2`用于存储当前帧和前一帧的平均灰度值;`u`则表示计算出的光流矢量大小。 #### 图像处理流程 1. **初始化和预处理**:`memset`函数被用来清零`opticalflow`数组,它将保存计算出的光流数据。同时,`output`数组被填充为白色,这通常用于可视化结果。 2. **灰度计算**:对每一像素点进行处理,计算其灰度值。这里采用的是RGB通道平均值的计算方法,将每个像素的R、G、B值相加后除以3,得到一个近似灰度值。此步骤确保了计算过程的鲁棒性和效率。 3. **光流向量计算**:通过比较当前帧和前一帧的灰度值,计算出每个像素点的Ex、Ey和Et值。这里值得注意的是,光流向量的大小`u`是通过`Et`除以`sqrt(Ex^2 + Ey^2)`得到的,再乘以10进行量化处理,以减少计算复杂度。 4. **结果存储与阈值处理**:计算出的光流值被存储在`opticalflow`数组中。如果`u`的绝对值超过10,则认为该点存在显著运动,因此在`output`数组中将对应位置标记为黑色,形成运动区域的可视化效果。 5. **状态更新**:通过`memcpy`函数将当前帧复制到`prevframe`中,为下一次迭代做准备。 #### 扩展应用:Lukas-Kanade算法 除了上述基础的光流计算外,代码还提到了Lukas-Kanade算法的应用。这是一种更高级的光流计算方法,能够提供更精确的运动估计。在`ImgOpticalFlow`函数中,通过调用`cvCalcOpticalFlowLK`函数实现了这一算法,该函数接受前一帧和当前帧的灰度图,以及窗口大小等参数,返回像素级别的光流场信息。 在实际应用中,光流法常用于目标跟踪、运动检测、视频压缩等领域。通过深入理解和优化光流算法,可以进一步提升视频分析的准确性和实时性能。 光流法及其C++实现是计算机视觉领域的一个重要组成部分,通过对连续帧间像素变化的精细分析,能够有效捕捉和理解动态场景中的运动信息
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