网络编程4：PosixAPI和网络IO相关理论

一、什么是PosixAPI？

简而言之，就是Linux操作系统为应用层封装好的统一的接口，用于网络编程、文件处理、进程管理等。

二、建立链接。

1、socket

        socket主要做了两件事情：

        a、分配一个网络IO的文件描述符；

        b、分配一个网络IO的tcb控制块。

socket函数返回一个文件描述符，通过这个文件描述符操作内核中的一个内存。网络通信就是以来这个文件描述符完成。

2、bind

        bind用网络IO的fd，找到对应的tcb，然后设置需要的ip和port。

        对于客户端而言，如果没有使用bind，那么系统会随机分配一个port。

3、listen

        listen主要做了两件事：

        a、创建tcb，并初始化tcb的status为TCP_STATUS_LISTEN。

        b、调整tcb的队列，包括半连接队列和长连接队列。

4、三次握手

简单说：A发syn；B收A发的syn，B再回ack+syn；A收B发的ack+syn，再回ack。

上面的SYN和ACK是协议的两个bit位：

发送端，当发送请求时SYN置1，并随机给一个Sequence Number；

接收端，接收到请求后SYN、ACK置1，并把发送而来的Sequence Number+1返回，然后发送一个随机的Acknowledgment Number；

发送端，接收到接收端发送的Acknowledgment Number后，ACK置1，把发送而来的Sequence Number+1返回。

还有一种情况就是TCP做P2P，互相发送请求，互相接收，本质和上面的情况是一样的，都是按照上面的流程。

三次握手里面，Sequence Number是一个随机数，而Acknowledgment Number是Sequence Number+1。

发送端的状态变化：CLOSED->SYN_SEND->ESTABLISHED，

接收端的状态变化：CLOSED->SYN_RECV->ESTABLISHED。

三次握手是TCP是建立可靠连接的关键步骤，保证TCP连接的应用层不丢失、不重复、不乱序。

5、与三次握手相关的事项

从上图可以看到三次握手时，listen函数：

当接收到syn时，创建tcb并放在半连接队列中；当再次接收到ack时，把半连接队列里面的tcb移动（move）到全连接队列中。

accept函数：

给发送端的TCP分配一个fd，然后把这个fd与全连接队列里指定的tcb建立映射关系。

有三个问题：

a、TCP连接的生命周期从哪里开始？

答：从接收端收到syn创建tcb开始。

b、发送端发送ack时，从半连接队列里面如何找到对应的tcb？

答：根据四元组（source port、source ip、destination port、destination ip）。

c、listen的backlog如何理解？

答：抽象笼统的解释backlog就是tcb的队列长度。

这里说tcb的队列长度也不够准确，因为这跟linux系统的迭代相关，从老版本到现在版本大概经历了三次时期：

表示syn_queue（半连接队列）长度；

表示syn_queue和accept_queue（全连接队列）未被分配fd的tcb数量；

表示accept_queue长度。

最老的版本里通过控制半连接长度，从某种程度上说，这可以部分解决syn泛洪问题，但是随着防火墙、TCP SYN Cookies等技术发展，这个已经不太需要了；现在更看中的是容纳稳定连接的数量，所以就有了第二和第三个版本。

有个非常容易混淆的点要理清楚：backlog指定了等待队列的最大长度，即已完成握手但尚未被accept函数处理的连接请求的最大数量。限制backlog并不是限制并发连接数，它仅限制了在accept函数处理之前的连接请求队列的长度。

三、进行传输

发送端通过send或者write把数据从应用层拷贝到内核，至于数据如何发何时发，都是内核的事情；然后内核把数据按照MTU的上限组成一个包发送；协议栈接收到数据后，通过recv和read都是把数据从内核拷贝到应用层。

1、为什么调用send或者write，调用recv和read有一样的效果？

答：因为send或者write都是通过调用fd把数据从应用层拷贝给内核，而recv或者read都是通过fd把数据从内核拷贝到应用层。

2、再拷贝同样的数据量时，recv一次调用，和recv多次调用有何区别？

答：理论上recv多次调用会增加系统开销，数据拷贝的效率降低。但是实际使用二者区别不大。

3、TCP协议是哪部分？

答：从图上看，TCP协议是用来描述从发送端内核到接收端内核这一段过程的。

四、断开连接

1、close做了哪些工作？

答：首先回收分配的fd，然后向被动方发送一个空包。

2、close和shutdown的区别？

答：close可以关闭主动方和被动方的fd，而shutdown只是关闭本端，不能关闭被动方，开发中不要使用shutdown。

3、主动方先收到ACK后收到FIN，发送方的状态是什么样的？

答：发送方状态先变成CLOSEING状态，再收到FIN之后编程FIN_WAIT2状态。

4、主动方和被动方同时调用close函数？

答：状态如图所示，先编程状态FIN_WAIT1，然后CLOSING，再TIME_WAIT，最后CLOSE。有时候服务器出现大量的TIME_WAIT，可能与双方同时调用close有关。