网络编程--TCP状态转换

TCP通信过程包括三个步骤:建立TCP连接通道(三次握手)、数据传输、断开TCP连接通道(四次挥手)。

建立连接状态说明:

1.CLOSED:起始点,在超时或者连接关闭时候进入此状态,这并不是一个真正的状态,而是这个状态图的假想起点和终点。
2.LISTEN:服务器端等待连接的状态。服务器经过 socket,bind,listen 函数之后进入此状态,开始监听客户端发过来的连接请求。此称为应用程序被动打开(等到客户端连接请求)。
3.SYN_SENT:第一次握手发生阶段,客户端发起连接。客户端调用 connect,发送 SYN 给服务器端,然后进入 SYN_SENT 状态,等待服务器端确认(三次握手中的第二个报文)。如果服务器端不能连接,则直接进入CLOSED状态。
4.SYN_RCVD:第二次握手发生阶段,跟 3 对应,这里是服务器端接收到了客户端的 SYN,此时服务器由 LISTEN 进入 SYN_RCVD状态,同时服务器端回应一个 ACK,然后再发送一个 SYN 即 SYN+ACK 给客户端。状态图中还描绘了这样一种情况,当客户端在发送 SYN 的同时也收到服务器端的 SYN请求,即两个同时发起连接请求,那么客户端就会从 SYN_SENT 转换到 SYN_REVD 状态。
5.ESTABLISHED:第三次握手发生阶段,客户端接收到服务器端的 ACK 包(ACK,SYN)之后,也会发送一个 ACK 确认包,客户端进入 ESTABLISHED 状态,表明客户端这边已经准备好,但TCP 需要两端都准备好才可以进行数据传输。服务器端收到客户端的 ACK 之后会从 SYN_RCVD 状态转移到 ESTABLISHED 状态,表明服务器端也准备好进行数据传输了。这样客户端和服务器端都是 ESTABLISHED 状态,就可以进行后面的数据传输了。所以 ESTABLISHED 也可以说是一个数据传送状态。


关闭连接状态说明:

1.FIN_WAIT_1:第一次挥手。主动关闭的一方(执行主动关闭的一方既可以是客户端,也可以是服务器端,这里以客户端执行主动关闭为例),终止连接时,发送 FIN 给对方,然后等待对方返回 ACK 。调用 close() 第一次挥手就进入此状态。
2.CLOSE_WAIT:接收到FIN 之后,被动关闭的一方进入此状态。具体动作是接收到 FIN,同时发送 ACK。之所以叫 CLOSE_WAIT 可以理解为被动关闭的一方此时正在等待上层应用程序发出关闭连接指令。前面已经说过,TCP关闭是全双工过程,这里客户端执行了主动关闭,被动方服务器端接收到FIN 后也需要调用 close 关闭,这个 CLOSE_WAIT 就是处于这个状态,等待发送 FIN,发送了FIN 则进入 LAST_ACK 状态。
3.FIN_WAIT_2:主动端(这里是客户端)先执行主动关闭发送FIN,然后接收到被动方返回的 ACK 后进入此状态。
4.LAST_ACK:被动方(服务器端)发起关闭请求,由状态2 进入此状态,具体动作是发送 FIN给对方,同时在接收到ACK 时进入CLOSED状态。
5.CLOSING:两边同时发起关闭请求时(即主动方发送FIN,等待被动方返回ACK,同时被动方也发送了FIN,主动方接收到了FIN之后,发送ACK给被动方),主动方会由FIN_WAIT_1 进入此状态,等待被动方返回ACK。
6.TIME_WAIT:从状态变迁图会看到,四次挥手操作最后都会经过这样一个状态然后进入CLOSED状态。共有三个状态会进入该状态
由CLOSING进入:同时发起关闭情况下,当主动端接收到ACK后,进入此状态,实际上这里的同时是这样的情况:客户端发起关闭请求,发送FIN之后等待服务器端回应ACK,但此时服务器端同时也发起关闭请求,也发送了FIN,并且被客户端先于ACK接收到。
由FIN_WAIT_1进入:发起关闭后,发送了FIN,等待ACK的时候,正好被动方(服务器端)也发起关闭请求,发送了FIN,这时客户端接收到了先前ACK,也收到了对方的FIN,然后发送ACK(对对方FIN的回应),与CLOSING进入的状态不同的是接收到FIN和ACK的先后顺序。
由FIN_WAIT_2进入:这是不同时的情况,主动方在完成自身发起的主动关闭请求后,接收到了对方发送过来的FIN,然后回应 ACK。

下面来看看这个看似有点多余的TIME_WAIT状态:从上面进入TIME_WAIT状态的三个状态动作来看(可以直接看状态变迁图)都是主动方最后回应一个ACK(CLOSING实际上前面的那个FIN_WAIT_1状态就已经回应了ACK)。

先考虑这样的一个情况,假如这个最后回应的ACK丢失了,也就是服务器端接收不到这个ACK,那么服务器将继续发送它最终的那个FIN,因此客户端必须维护状态信息(TIME_WAIT)允许它重发最后的那个ACK。如果没有这个TIME_WAIT状态,客户端处于CLOSED状态(开头就说了CLOSED状态实际并不存在,是我们为了方便描述假想的),那么客户端将响应RST,服务器端收到后会将该RST分节解释成一个错误,也就不能实现最后的全双工关闭了(可能是主动方单方的关闭)。所以要实现TCP全双工连接的正常终止(两方都关闭连接),必须处理终止过程中四个分节任何一个分节的丢失情况,那么主动关闭连接的主动端必须维持TIME_WAIT状态,最后一个回应ACK的是主动执行关闭的那端。从变迁图可以看出,如果没有TIME_WAIT状态,我们将没有任何机制来保证最后一个ACK能够正常到达。前面的FIN,ACK正常到达均有相应的状态对应。

还有这样一种情况,如果目前的通信双方都已经调用了 close(),都到达了CLOSED状态,没有TIME_WAIT状态时,会出现这样一种情况,现在有一个新的连接被建立起来,使用的IP地址和端口和这个先前到达了CLOSED状态的完全相同,假定原先的连接中还有数据报残存在网络之中,这样新的连接建立以后传输的数据极有可能就是原先的连接的数据报,为了防止这一点,TCP不允许从处于TIME_WAIT状态的socket 建立一个连接。处于TIME_WAIT状态的 socket 在等待了两倍的MSL时间之后,将会转变为CLOSED状态。这里TIME_WAIT状态持续的时间是2MSL(MSL是任何IP数据报能够在因特网中存活的最长时间),足以让这两个方向上的数据包被丢弃(最长是2MSL)。通过实施这个规则,我们就能保证每成功建立一个TCP连接时,来自该连接先前化身的老的重复分组都已经在网络中消逝了。

  综上来看:TIME_WAIT存在的两个理由就是

可靠地实现TCP全双工连接的终止;
允许老的重复分节(数据报)在网络中消逝。

<think>好的,我现在需要帮助用户查找在Linux环境下使用C语言实现TCP网络编程的教程和示例代码。用户提供了几个引用,看起来是关于Socket编程的,我需要结合这些引用和我的知识来组织一个清晰的回答。 首先,我需要回忆一下TCP编程的基本步骤。通常分为服务端和客户端。服务端的步骤是创建socket,绑定地址,监听连接,接受连接,然后进行通信。客户端则是创建socket,连接到服务端,然后通信。关闭连接是双方都需要做的。 接下来,看看用户提供的引用内容。引用[4]详细说明了服务端的步骤:socket(), bind(), listen(), accept(), read()/write(), close()。客户端部分在引用[3]中提到了socket、填写服务端地址、connect,封装成函数。引用[2]中的示例代码是关于IP地址转换的,可能对理解地址处理有帮助。引用[1]提到用户之前写过C语言实现TCP连接的文章,但现在想重新整理。 我需要将这些信息整合成一个教程,分步骤说明服务端和客户端的实现,并给出示例代码。同时,需要确保代码符合C语言在Linux下的标准,使用正确的头文件和函数调用。例如,服务端代码可能包括创建socket,设置地址结构体,绑定,监听,接受连接,读写数据。客户端则是创建socket,连接,然后通信。 另外,需要注意错误处理,比如检查每个系统调用的返回值,这在示例代码中可能需要简化,但用户可能需要知道实际应用中应该处理错误。例如,socket()返回-1表示失败,bind()也可能出错,需要处理。 然后,用户要求生成相关问题。我需要考虑用户可能对TCP编程的哪些方面有疑问,比如多客户端处理、阻塞与非阻塞、错误处理等。可能的问题包括如何同时处理多个客户端连接,如何设置超时,或者TCP与UDP的区别等。 最后,确保回答结构清晰,分步骤说明,代码部分用代码块表示,并正确引用用户提供的引用来源。例如,服务端的步骤引用[4],客户端的函数封装引用[3],IP转换的示例引用[2]。 现在需要组织这些内容,确保符合用户给出的格式要求,如使用中文,行内公式正确(虽然这里可能用不到),独立公式单独成段。不过这里主要是代码和步骤说明,所以重点放在代码的正确性和步骤的清晰性上。 可能还需要验证示例代码是否正确。比如,服务端代码是否正确使用socket(), bind(), listen(), accept()等函数,客户端是否正确使用connect()。确保示例代码中的函数参数正确,比如地址结构体使用struct sockaddr_in,正确设置地址族、端口、IP地址,并使用htonl, htons等函数转换字节序。 总之,步骤是:概述TCP编程步骤,分服务端和客户端,给出示例代码,引用相关引用,然后生成相关问题。</think>### Linux C语言TCP网络编程实现教程 在Linux环境下使用C语言实现TCP通信,主要分为**服务端**和**客户端**两部分。以下是具体步骤和示例代码: --- #### **服务端实现步骤** [^4] 1. **创建Socket**:使用`socket()`函数创建套接字。 2. **绑定地址**:通过`bind()`将套接字与本地IP和端口绑定。 3. **监听连接**:调用`listen()`进入监听状态,等待客户端连接。 4. **接受连接**:使用`accept()`接收客户端请求,返回新的通信套接字。 5. **数据交互**:通过`read()`/`write()`进行通信。 6. **关闭连接**:使用`close()`释放资源。 **示例代码(服务端)**: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #define PORT 8080 int main() { int server_fd, new_socket; struct sockaddr_in address; int addrlen = sizeof(address); char buffer[1024] = {0}; // 1. 创建Socket if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) { perror("socket failed"); exit(EXIT_FAILURE); } address.sin_family = AF_INET; address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; address.sin_port = htons(PORT); // 2. 绑定地址 if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) { perror("bind failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 3. 监听连接 if (listen(server_fd, 3) < 0) { perror("listen failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 4. 接受连接 if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) { perror("accept failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 5. 数据交互 read(new_socket, buffer, 1024); printf("Received: %s\n", buffer); send(new_socket, "Hello from server", 17, 0); // 6. 关闭连接 close(new_socket); close(server_fd); return 0; } ``` --- #### **客户端实现步骤** [^3] 1. **创建Socket**:使用`socket()`函数。 2. **设置服务端地址**:填充服务端IP和端口。 3. **发起连接**:调用`connect()`连接到服务端。 4. **数据交互**:通过`send()`/`recv()`通信。 5. **关闭连接**:释放资源。 **示例代码(客户端)**: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #define SERVER_IP "127.0.0.1" #define PORT 8080 int main() { int sock = 0; struct sockaddr_in serv_addr; char buffer[1024] = {0}; // 1. 创建Socket if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror("socket creation failed"); exit(EXIT_FAILURE); } serv_addr.sin_family = AF_INET; serv_addr.sin_port = htons(PORT); // 2. 转换IP地址格式(参考引用[2]) if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) { perror("invalid address"); exit(EXIT_FAILURE); } // 3. 发起连接 if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) { perror("connection failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 4. 数据交互 send(sock, "Hello from client", 17, 0); read(sock, buffer, 1024); printf("Server response: %s\n", buffer); // 5. 关闭连接 close(sock); return 0; } ``` --- #### **关键函数说明** - `socket()`:创建套接字,参数`AF_INET`表示IPv4,`SOCK_STREAM`表示TCP协议。 - `bind()`:绑定IP和端口时需注意字节序转换(如`htons()`)[^2]。 - `accept()`:阻塞等待客户端连接,返回新的套接字用于通信。 ---
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