1. TCP状态转换
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// 客户端通信流程
1. 创建通信的套接字
socket();
2. 连接服务器
connect();
3. 通信
read();
write();
4. 断开连接
close();
// 服务器通信流程
1. 创建监听的套接字
2. 监听的fd绑定本地的IP和端口
3. 设置监听
4. 等待并接受客户端连接
5. 通信
6. 关闭连接
/*
三次握手:
第一次:
客户端:
客户端发送连接请求 -> 服务器
-> SYN, 发送随机序号
客户端的状态: 从没有状态 -> SYN_SENT
- 体现在程序中就是在客户端调用了: connect()函数
服务器端:
- 在服务器启动之后, 默认的状态就是: LISTEN
- 接收到客户端的连接请求, 状态变化: LISTEN -> SYN_RCVD
第二次握手:
- 服务器
给客户端回复: ACK, 同意建立连接, 给客户端发送连接请求 SYN, 状态没有变化
- 客户端:
收到服务器的回复: 状态变化: SYN_SENT -> ESTABLISHED
第三次握手:
- 客户端:
同意服务器的连接请求, 回复: ACK, 状态没有变化
- 服务器端:
接收客户端数据, 状态变化: SYN_RCVD -> ESTABLISHED
*/
/*
通信过程中:
通信的双方的状态: ESTABLISHED, 不会发生变化
如果想要进行通信, 进程必须要处于: ESTABLISHED 状态
*/
/*
四次挥手:
通信的双方, 谁都可以主动断开连接, 在程序中断开连接就是调用close()函数
第一次挥手:
主动断开连接的一方调用 close() 函数
- 状态发生变化: ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1
被动断开连接的一方:
- 状态变化: ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT
第二次挥手:
被动断开连接的一方: 回复了一个 ACK, 同意断开连接, 状态没有变化, 还是 CLOSE_WAIT
主动断开连接的一方: 收到了ACK
- 状态变化: FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2
第三次挥手:
被动断开连接的一方: 向对方发送了断开连接的请求 FIN
- 在程序中调用了 close() 函数
- 状态有变化: CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
主动断开连接的一方: 收到了FIN
- 状态发生变化: FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT
第四次挥手:
主动断开连接的一方: 回复 ACK
主动断开连接的一方: 收到了ACK, 进程就退出了
*/
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// 绿线是服务器的状态转换
// 红线是客户端的状态转换
-
2MSL(Maximum Segment Lifetime)
- 等待的时间, 一个 MSL 长度是
30s
左右 2MSL
约等于 1分钟- 主动断开连接的一方最后会变成
TIME_WAIT
状态, 这个状态会持续一分钟, 这个进程才会真正的退出 - 为什么要等这一分钟?
- 保证被动断开连接的一方能够收到最后一个
ACK
- 当被动断开连接的一方没有收到最后一一个ACK的时候, 会继续给主动断开连接的一方发送FIN
- 主动断开连接的一方收到FIN之后, 继续回复ACK
- 保证被动断开连接的一方能够收到最后一个
当TCP连接主动关闭方接收到被动关闭方发送的FIN和最终的ACK后,连接的主动关闭方必须处于TIME_WAIT状态并持续2MSL时间。
这样就能够让TCP连接的主动关闭方在它发送的ACK丢失的情况下重新发送最终的ACK。
主动关闭方重新发送的最终ACK并不是因为被动关闭方重传了ACK(它们并不消耗序列号,被动关闭方也不会重传),而是因为被动关闭方重传了它的FIN。事实上,被动关闭方总是重传FIN直到它收到一个最终的ACK。
- 等待的时间, 一个 MSL 长度是
-
半关闭
当TCP链接中A向B发送 FIN 请求关闭,另一端B回应ACK之后,并没有立即发送 FIN 给A, A方处于半连接状态(半开关),此时A可以接收B发送的数据,但是A已经不能再向B发送数据。
// 通过半关闭可以实现套接字通信过程中数据的单向流动, 默认情况下数据是可以双向流动的 // 在四次挥手的时候, 只进行了两次 - 主动断开连一方 -> 客户端 -> 在客户端调用了close() - 被动断开连接的一方 -> 服务器 -> 服务器端没有调用close() // 服务器和客户端的连接还有没有? - 有 // 客户端和服务器的连接还有没有? - 没有 // 以上称之为半关闭, 特点? - 客户端因为和服务器断开了连接 - 客户端不能给服务器发送数据 - 客户端可以接收服务器的数据 - 服务器这边? - 理论上可以接收和发送 - 实际上: 因为客户端不能发送数据了, 是收不到数据的, 只能给客户端发送数据 #include <sys/socket.h> // 设置套接字半关闭 int shutdown(int sockfd, int how); 参数: sockfd: 要操作 的文件描述符 how: - SHUT_RD: 关闭读 - SHUT_WR: 关闭写 - SHUT_RDWR: 关闭读写
-
查看网络相关信息命令
$ netstat ○ 参数: -a (all)显示所有选项 -p 显示建立相关链接的程序名 -n 拒绝显示别名,能显示数字的全部转化成数字。 -l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态 -t (tcp)仅显示tcp相关选项 -u (udp)仅显示udp相关选项 $ netstat -apn
robin@OS:~$ netstat -apn | grep 9999 (Not all processes could be identified, non-owned process info will not be shown, you would have to be root to see it all.) tcp 0 0 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:* LISTEN 9558/server robin@OS:~$ netstat -apn | grep 9999 (Not all processes could be identified, non-owned process info will not be shown, you would have to be root to see it all.) tcp 0 0 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:* LISTEN 9558/server tcp 0 0 127.0.0.1:51824 127.0.0.1:9999 ESTABLISHED 9586/client tcp 0 0 127.0.0.1:9999 127.0.0.1:51824 ESTABLISHED 9558/server robin@OS:~$ netstat -apn | grep 9999 (Not all processes could be identified, non-owned process info will not be shown, you would have to be root to see it all.) tcp 1 0 127.0.0.1:51824 127.0.0.1:9999 CLOSE_WAIT 9586/client tcp 0 0 127.0.0.1:9999 127.0.0.1:51824 FIN_WAIT2 - robin@OS:~$ netstat -apn | grep 9999 (Not all processes could be identified, non-owned process info will not be shown, you would have to be root to see it all.) tcp 0 0 127.0.0.1:9999 127.0.0.1:51824 TIME_WAIT -
2. 端口复用
/*
1. 启动服务器
2. 启动客户端
3. 关闭服务器
4. 关闭客户端
5. 再次启动服务器程序
./server
bind error: Address already in use
*/
绑定失败的原因: 服务器先关闭, 最后进程变成 TIME_WAIT 状态, 这个状态会持续一分钟左右
- 在这个期间服务器绑定的端口没有被释放
- 再次启动这个服务器程序的时候还需要绑定这个没有被释放的端口 -> 绑定失败了
- 等一分钟之后就可以正常启动服务器程序了
- 如果就是不想等呢?
- 设置端口复用: 在进程的 TIME_WAIT 期间, 绑定的没有被释放的端口,可以被重新使用
- 需要通过一个函数: setsockopt()
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
参数:
- sockfd: 要被设置属性的文件描述符
- level: SOL_SOCKET
- optname: 设置端口复用
- SO_REUSEPORT
- SO_REUSEADDR
- optval: 要设置的属性的值
- 根据查手册 设置端口复用 该指针指向的一个int数据
- 值: 1 -> 设置端口复用
- 值: 0 -> 不设置端口复用, 默认端口不能复用
- optlen: 参数 optval 指针对应的内存大小
返回值:
设置成功: 0
失败失败: -1
// 在服务器端代码中设置
// 一定要在绑定之前进行设置
int main()
{
// lfd -> 监听
int lfd = socket();
// 设置端口复用
int val = 1;
setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &val, sizeof(val));
// 绑定
bind(lfd, &addr, size);
// 监听
listen();
// 等待接受连接
accept();
}
3. IO多路转接
不再由应用程序自己监视客户端连接和数据通信,取而代之由内核替应用程序监视文件。
/*
为什么要多进程或多进程处理并发?
- 套接字通信过程中有哪些阻塞函数?
- accept();
- 负责接受客户端的连接, 没有连接就阻塞
- 检测的是用于 [监听] 的文件描述符的 -> 读缓冲区
- read()/recv();
- 接收数据, 如果对方没有给发送数据, 阻塞
- 检测的是用于 [通信] 的文件描述符的 -> 读缓冲区
- write/send();
- 发送数据, 如果缓冲区满了, 阻塞
- 检测的是用于 [通信] 的文件描述符的 -> 写缓冲区
- connect(); // 用于客户端
- 连接过程, 三次握手的过程中是阻塞的, 连接成功解除阻塞函数返回
*/
// IO多路转接是怎么回事儿?
- 上述文件描述法对应的读/写缓冲区的检测本来是需要在程序中由程序猿创建进程/线程进行状态检测
- 调用了accept
- read/write
- 通过IO多路转接就可以将这些缓冲区的状态检测交给内核区处理
- 内核检测到缓冲区的状态有变化, 会通知我们的程序
- 在程序中得到通知之后就可以进行处理了
- 如何交给内核检测?
- 体现在程序中就是使用了一些IO转接函数, 这些函数的状态默认是阻塞的
- select
- poll
- epoll
- 阻塞是因为检测这些缓冲区需要时间
- 如果检测到缓冲区有状态变化, 函数会解除阻塞
3.3 select
主旨思想:
先构造一张有关文件描述符的列表, 将要监听的文件描述符添加到该表中
调用一个函数,监听该表中的文件描述符,直到这些描述符表中的一个进行I/O操作时,该函数才返回。
该函数为阻塞函数
函数对文件描述符的检测操作是由内核完成的
在返回时,它告诉进程有多少(哪些)描述符要进行I/O操作。
/*
select的使用步骤:
1. 是需要完成以服务器端程序
2. 需要有监听的文件描述符 ---> 第一个文件描述符
3. 建立连接, 得到了通信的文件描述符 -----> 第2-n个文件描述符
4. 在程序运行之前, 将现有的文件描述符初始化到一个表中
- 读操作的表: 检测文件描述符的读缓冲区 -> 读集合
- 写操作的表: 检测文件描述符的写缓冲区 -> 写集合
- 异常表: 文件描述符在读写过程中出现了错误 -> 异常集合
5. 将这三个集合传递给select函数, select函数是系统调用, 将数据传递到内核中
- 内核就知道要检测哪些文件描述符的状态, 开始检测
- 内核当检测到文件描述符的状态发生了变化, 会将信息写回到对应的三张表中
6. 我们程序中会得到新的三个集合, 通过这三个集合就可以判断哪些文件描述符状态发生了变化
- 发生变化之后去处理:
accept(); -> 绝对不阻塞
read(); -> 绝对不会
write(); -> 绝对不会
*/
// 函数原型
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// 表示一个时间段: sec+usec
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
// fd_set 数据类型, sizeof(fd_set) = 128byte == 1024 bit
// 参数 读, 写, 异常 都是传入传出参数
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数:
- nfds: 内核区检测文件描述符遍历的范围, 指定结束位置
- 内核是以线性的方式遍历的, 从开始 -> 结束
- 结束位置 == 检测的最大的文件描述符+1 [0, nfds) (nfds=maxfd+1)
- readfds: 委托内核检测读缓冲区的所有文件描述符的集合
- 使用的最多
- 检测读缓冲区中有数据, 内核给通知
- writefds: 委托内核检测写缓冲区的所有文件描述符的集合
- 检测的是写缓冲区是不是可以写, 不满就可以写
- 缓冲区有空间就是满足条件, 内核给通知
- exceptfds: 异常集合
- timeout: 函数阻塞的时长
- NULL: 表示一直阻塞, 直到检测的三个集合中的文件描述符有状态变化的时候, 解除阻塞
返回值:
调用没有问题: 发生状态变化的文件描述符的总个数
失败: -1
// 将对应文件描述符初始到fd_set集合中
// 将参数fd对应的文件描述符从检测的集合中删除, 标志位1->0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断文件描述符 fd, 是不是在检测的集合 set中
// 如果在集合中, 返回1, 不在集合中返回0
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数fd对应的文件描述符设置到检测的集合中, 标志位0->1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// 将检测的集合中所有的标志位初始化为 0
void FD_ZERO(fd_set *set);
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// 服务器端使用select代码:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
// 1. 创建监听的fd
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2. 绑定
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(10000);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
// 3. 设置监听
listen(lfd, 128);
// 将监听的fd的状态检测委托给内核检测
int maxfd = lfd;
// 初始化检测的读集合
fd_set rdset;
fd_set rdtemp;
// 清零
FD_ZERO(&rdset);
// 将监听的lfd设置到检测的读集合中
FD_SET(lfd, &rdset);
// 通过select委托内核检测读集合中的文件描述符状态, 检测read缓冲区有没有数据
// 如果有数据, select解除阻塞返回
// 应该持续检测
while(1)
{
// 默认阻塞
// rdset 中是委托内核检测的所有的文件描述符
rdtemp = rdset;
int num = select(maxfd+1, &rdtemp, NULL, NULL, NULL);
// rdset中的数据被内核改写了, 只保留了发生变化的文件描述的标志位上的1, 没变化的改为0
// 只要rdset中的fd对应的标志位为1 -> 缓冲区有数据了
// 判断
// 有没有新连接
if(FD_ISSET(lfd, &rdtemp))
{
// 接受连接请求, 这个调用不阻塞
struct sockaddr_in cliaddr;
int cliLen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliLen);
// 得到了有效的文件描述符
// 通信的文件描述符添加到读集合
// 在下一轮select检测的时候, 就能得到缓冲区的状态
FD_SET(cfd, &rdset);
// 重置最大的文件描述符
maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
}
// 没有新连接, 通信
for(int i=lfd+1; i<maxfd+1; ++i)
{
// 和客户端通信
if(FD_ISSET(i, &rdtemp))
{
// 接收数据
char buf[1024] = {0};
int len = read(i, buf, sizeof(buf));
if(len == 0)
{
printf("客户端关闭了连接...\n");
// 将检测的文件描述符从读集合中删除
FD_CLR(i, &rdset);
close(i);
}
else if(len > 0)
{
// 收到了数据
// 发送数据
write(i, buf, strlen(buf)+1);
}
else
{
// 异常
perror("read");
}
}
}
}
return 0;
}
3.4 poll
-
函数
#include <poll.h> // 每个委托poll检测的fd都对应这样一个结构体 struct pollfd { int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */ short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */ short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 -> 传出 */ }; // events事件 - POLLIN -> 检测读 - POLLOUT -> 检测写 struct pollfd myfd; myfd.fd = 5; myfd.events = POLLIN | POLLOUT; // 检测读写 struct pollfd myfd[100]; int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); 参数: - fds: 这是一个struct pollfd数组, 这是一个要检测的文件描述符的集合 - nfds: 这是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1 - timeout: 阻塞时长 0: 不阻塞 -1: 阻塞, 检测的fd有变化解除阻塞 >0: 阻塞时长, 单位毫秒 返回值: -1: 失败 >0(n): 检测的集合中有n个文件描述符发生状态变化
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多线程版服务器代码
/*
思路:
- 主线程
- 不停的接受客户端连接
- 子线程
- 通信
*/
// 伪代码
// 线程回调函数
void* working(void* arg)
{
int fd = *(int*)arg;
// 通信
while(1)
{
// 接收数据
int len = read(fd, buf, sizeof(buf));
if(len == 0)
{
// 客户端断开连接
break;
}
// 发送数据
write(fd, str, len);
}
close(fd);
return NULL;
}
int fds[1024];
int main()
{
// 1. 创建监听的套接字
int lfd = socket();
// 2. 绑定
bind(lfd, addr);
// 3. 设置监听
listen(lfd, 128);
// 4. 等待并接受客户端的连接
memset(fds, -1, sizeof(fds));
while(1)
{
int cfd = accept(lfd, &cliaddr, &addrlen);
// 创建子线程
int *ptr = NULL;
for(int i=0; i<sizeof(fds)/sizeof(int); ++i)
{
if(fds[i] == -1)
{
fds[i] = cfd;
ptr = &fds[i];
break;
}
}
fds[i] = cfd;
pthread_create(&tid, NULL, working, ptr);
// 线程分离
pthread_detach(tid);
}
return 0;
}
// 完整代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
struct SockInfo
{
int cfd; // 通信的文件描述符
struct sockaddr_in addr; // 客户端的地址信息
};
void* working(void* arg);
int main()
{
// 1. 创建监听的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(lfd == -1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. lfd绑定本地的IP和端口
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9999); // 使用大端的端口
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 这个宏的值就是0
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if(ret == -1)
{
perror("bind");
exit(0);
}
// 3. 设置监听
ret = listen(lfd, 128);
if(ret == -1)
{
perror("listen");
exit(0);
}
struct SockInfo info[1024];
int infoLen = sizeof(info)/sizeof(struct SockInfo);
for(int i=0; i<infoLen; ++i)
{
info[i].cfd = -1;
}
// 4. 等待并接受连接
struct sockaddr_in cliaddr;
int clilen = sizeof(cliaddr);
// 循环
while(1)
{
printf("等待客户端连接....\n");
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen);
if(cfd == -1)
{
perror("accept");
exit(0);
}
printf("和客户端连接成功建立....\n");
// 创建子线程
pthread_t tid;
// 从数组中取出一个元素存储数据
struct SockInfo* ptr = NULL;
for(int i=0; i<infoLen; ++i)
{
if(info[i].cfd == -1)
{
ptr = &info[i];
break;
}
if(ptr == NULL)
{
sleep(1);
i = 0;
}
}
// 赋值
ptr->cfd = cfd;
memcpy(&ptr->addr, &cliaddr, sizeof(cliaddr));
pthread_create(&tid, NULL, working, ptr);
// 线程分离
pthread_detach(tid);
}
return 0;
}
void* working(void* arg)
{
struct SockInfo* pt = (struct SockInfo*)arg;
// 5. 通信
while(1)
{
// 4.1 打印客户端的地址信息
// 将cliaddr中的大端IP -> 点分十进制IP字符串
// cliaddr中的端口也是大端的
char ip[64];
printf("client IP: %s, client port: %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &pt->addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
ntohs(pt->addr.sin_port));
// 接收数据
char buf[1024];
int len = recv(pt->cfd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("client say: %s\n", buf);
if(len == 0)
{
printf("client disconnect....\n");
break;
}
// 发送数据
send(pt->cfd, buf, len, 0);
}
close(pt->cfd);
pt->cfd = -1;
return NULL;
}
. 通信
while(1)
{
// 4.1 打印客户端的地址信息
// 将cliaddr中的大端IP -> 点分十进制IP字符串
// cliaddr中的端口也是大端的
char ip[64];
printf(“client IP: %s, client port: %d\n”,
inet_ntop(AF_INET, &pt->addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
ntohs(pt->addr.sin_port));
// 接收数据
char buf[1024];
int len = recv(pt->cfd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("client say: %s\n", buf);
if(len == 0)
{
printf("client disconnect....\n");
break;
}
// 发送数据
send(pt->cfd, buf, len, 0);
}
close(pt->cfd);
pt->cfd = -1;
return NULL;
}