TCP/IP协议相关知识



     1、TCP/IP协议

TCP/IP协议叫做传输控制/网际协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机的数据往来格式和传送方式，是网络中使用的基本通信协议。

TCP/IP是一个协议族，包括上百个功能的协议，其中TCP和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。TCP/IP协议传输数据的过程中，TCP协议负责将数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头，包头上面有相应的编号，以此保证数据接收时能将数据还原。IP协议给每个包头加上接收端主机地址，这样能够确保数据传输到正确的目的主机地址。所以，IP协议保证数据的传输，TCP协议保证数据传输的质量。

 

     2、TCP/IP协议分层

TCP/IP通信协议采用了四层的层级模型结构，它参考了OSI的七层模型，主要分为应用层、传输层、网络层和链路层。

• 应用层：负责处理特定的应用程序细节。比如简单邮件传输协议（SMTP），文件传输协议（FTP），网络远程访问协议（Telnet）以及简单网络管理协议（SNMP）。

• 传输层：提供了节点间的数据传送服务，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。其中主要包括两种重要的传输协议，传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP提供了可靠的数据通信，因此应用层可以不考虑传输的完整性。而UDP并不能保证数据能够到达目的端，任何必须的可靠性由应用层提供。

• 网路层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能到达目的主机。主要包括网络协议（IP）、Internet互联网控制报文协议（ICMP Internet）以及Internet组管理协议（IGMP Internet）。

• 链路层：通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网路接口卡，主要处理物理接口细节。

 

     3、TCP

传输控制协议，提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器端进行数据交换时，必须现在双方建立一个TCP连接，之后才能传输数据。它能够保证数据传输过程中数据是可靠的、顺序的以及不会重复。但是，TCP在数据转移时必须创建并保持一个连接，这个会给通信过程增加开销，对比UDP传输速率会较慢。

TCP建立连接需要进行三次握手：

1. 建立连接时，客户端A向服务器B发送同步序列号SYN包（SYN=j），并且进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

2. 服务器B接收到SYN包时，将发送确认序号ACK（j+1）对客户端的SYN报文段进行确认，同时还会发回服务器的初始序号SYN包（SYN=k）作为应答，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

3. 客户端A收到服务器B的SYN+ACK包时，将发送给服务器确认包ACK（ACK=k+1），发送完成后，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

 

客户端状态：

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

前三个状态是客户端三次握手建立连接的状态迁移。建立连接后是四次挥手断开连接的状态迁移。

客户端主动请求关闭连接时，会向服务器端发送FIN报文，此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。服务器不会立即关闭socket连接，仍然可以发送数据，此时服务器端会发送ACK确认包给客户端，客户端进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器发送FIN报文。在客户端接收到FIN报文并发送ACK确认包时，客户端进入TIME_WAIT状态，在等待2MSL后依然没得到回复时，此时证明服务器已经正常断开连接，此时会断开TCP连接。

 

服务器状态：

CLOSED->LISTEN->SYN_RECV->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

同样，前几个状态是三次握手的状态转移。当服务器接收到关闭连接的FIN报文并发送ACK回答请求时，会进入CLOSE_WAIT状态。当服务器发送数据包完毕时，会发送FIN报文主动请求关闭连接，这时等待客户端的答复，即ACK的接收，进入LAST_ACK状态。当接收到ACK时，就关闭连接，进入CLOSED状态。

 

     4、UDP

UDP是一个非连接的协议，传输数据之前不需要建立源端和终端的连接，它是一个简单的面向数据报的运输层协议。它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，并不能保证它们能到达目的地。因为UDP没有建立连接，所以不需要维护连接状态，传输速率对比TCP快得多。

 

     5、Socket

Socket接口是TCP/IP网络的API，它用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。为了实现网络通信过程，必须标识某台主机的一个进程。可以利用IP层的ip地址唯一标识主机，利用协议和端口号唯一标识主机的一个进程。因此，可以利用ip地址+协议+端口号唯一标识网络中的一个进程。这样一来，便可以利用socket进行通信。

常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

 

Socket通信过程是以“打开—读写—关闭”为模式实现的，以TCP为例子，在Server端上，其流程如下：

socket()->bind()->listen()->accept()->recv()->close()

• Socket()：建立socket，可以用于建立TCP或者UDP连接。建立socket会给一个socket数据结构分配内存空间，socket结构体包含5种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。

• bind()：用于建立socket与本机上一个端口之间的关联。在参数的设置中，必须指定本机的地址以及端口等信息，并且需要进行字节序的转换。

• listen()：使socket处于监听状态，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的请求保存在队列中，直到程序处理它们。

• accept()：让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列时，服务器会调用accept()函数，然后等待客户的连接请求。没有客户请求到来时，服务器会一直停留在accept上，即阻塞，直到接收到用户请求才往下执行。

• recv()：recv()和send()函数用于tcp连接的数据传输。

• close()：释放相应的socket。

总体流程：首先调用socket函数建立服务器端的socket，然后调用bind函数将本机地址与一个端口号绑定，接着调用listen在相应的socket上进行监听，当accept接收到一个连接服务请求时，将生成新的socket，利用该socket进行数据的交换，最后关闭socket。

 

在Client端上，其通信流程如下：

socket()->connect()->send()->close()

• socket()：客户端建立socket。

• connect()：根据服务器ip地址和端口连接服务器socket

• send()：客户端与服务器传输数据

• close()：关闭客户端socket

总体流程：通过服务器ip地址，创建socket之后调用connect与服务器建立连接，成功之后利用send和recv函数与服务器进行数据交换，最后关闭socket。

 

对于udp，由于没有建立端到端的连接，因此在发送和接收数据时应指明相应的主机地址。sendto()和recvfrom()就是用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。

 

   6、多个Client连接一个Server

可以利用多个accept()实现多client连接，多accept()的server建立多个子线程，每个子线程都要一个accept()，这样可以为每个Client建立socket描述符。accept连接成功后，会产生一个新的socket描述符，这样通过循环多线程利用accept产生多socket描述符就可以与多个client进行连接通信。

 

     7、IOCP

传统的C/S模式通常为每个客户端创建一个新的线程，这种实现方式会随着用户量的增大而效率急剧下降。IOCP的引入解决了这种高并发的异步I/O请求，是一种高性能的I/O模型。

IOCP本质就是事先创建好N个线程，让它们先挂起，之后将用户的请求投递到一个消息队列中。然后让这N个线程逐一地从消息队列中取出消息并进行处理。这样一来，不仅减少了线程创建的开销，同时提高了线程的利用率。

处理流程：

首先创建一个完成端口，然后再创建一个或多个工作线程，并指定它们到这个完成端口上去读取数据。然后将远程连接的套接字句柄关联到这个完成端口，工作线程调用getQueuedCompletionStatus在关联到这个完成端口上的所有套接字上等待I/O的完成，最后发出send和recv，并继续下一次循环阻塞在getQueuedCompletionStatus。

1. 创建一个完成端口

HANDLE completionPort =CreateIoCompletionPort( INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);

1. 创建一个线程threadA

2. threadA循环调用GetQueuedCompletionStatus得到I/O的结果

while(true){

           bRet= GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred,(PULONG_PTR)&PerHandleData, (LPOVERLAPPED*)&IpOverlapped, INFINITE);

}

1. 主线程循环调用accept等待客户端连上

2. 主线程accept返回新连接建立以后，把这个新的套接字句柄关联到完成端口上，然后发出一个异步的read或write操作

3. 主线程继续下一次循环，阻塞在accept等待客户连接

4. 操作系统完成read或write操作，并把结果发给完成端口

5. ThreadA线程里的GetQueuedCompletionStatus马上返回，并从完成端口中取得刚才完成的read/write结果

6. 在 ThreadA 线程里对这些数据进行处理，然后接着发出 Read/Write，并继续下一次循环阻塞在 GetQueuedCompletionStatus这里。