socket通信之一：TCP/IP模型与socket

这段时间看了一些网络相关的东西，这里做一个总结吧。参考了很多文章的内容，因为我本身是对着书并且参考网络资源在学习的，在最后会一一列出文章的地址。

这篇文章主要介绍TCP/IP的一些基本知识，后面几篇继续深入一点探究。

本篇主要包括下面这些知识：

TCP/IP是什么
socket介绍
socket通信流程
socket中TCP三次握手建立连接
socket中TCP的四次挥手释放连接

1.TCP/IP是什么

首先看一个引出TCP/IP协议族的问题，网络之间的进程如何进行通信？

在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。TCP/IP协议族帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

上面的例子告诉我们TCP/IP是用来干什么的，即它是用来让网络之间的进程通信时使用的。那么什么是TCP/IP？TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。它定义了主机如何连入因特网及数据如何在它们之间传输的标准。

从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。不同于ISO模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

运输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的。



图1

IOS参考模型和TCP/IP模型的对比：



图2

看完上面的图表，对TCP/IP协议族应该有了一个大概的了解，它是指涉及到通讯过程中的一系列的协议，包括网络接口处，网络层，传输层的协议。为什么要将网络通讯划分成这么多层次呢？因为它比较复杂，如果只用一个层来实现整个通讯流程，那么这个层次会非常复杂，既不利于维护，也不利于扩展。从软件工程的角度来考虑这个问题就很好理解了。不得不说最开始设计TCP/IP的人真是天才啊，知道要分层很容易想到，但是如何分层又是一个大问题，最早的那批先辈们帮我们解决了这个问题。我们现在只需要学习各个分层的作用就可以了。

2.socket介绍

看完上面的图1中TCP/IP的介绍，但是都没有socket的影子，那么它在哪儿呢？



图3
首先必须明确socket不是某一层的协议，它是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组编程接口(即API)，在设计模式中，socket就是门面模式（又称为外观模式，Facade），它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让socket去组织数据，以符合指定的协议。

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

3.socket通信流程

socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的



上面是文字描述，对应于socket api中的函数如下图：



也就是说客户端和服务端的流程是这样子的：

客户端的流程如下：

创建套接字（socket）
向服务器发出连接请求（connect）
和服务器端进行通信（send/recv）
关闭套接字

服务器端的流程如下：

创建套接字（socket）
将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind）
将套接字设为监听模式，准备接收客户端请求（listen）
等待客户请求到来；当请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept）
用返回的套接字和客户端进行通信（send/recv）
返回，等待另一个客户请求。
关闭套接字。

上面就是编写socket程序时客户端和服务器端的基本步骤，每一个socket程序的基本步骤都是上面那几步。

4.socket中TCP三次握手建立连接

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接。



第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认

第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态

第三次握手：第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

服务器socket与客户端socket建立连接的部分其实就是大名鼎鼎的三次握手。



从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

故客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

5.socket中TCP的四次挥手释放连接

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：



图示过程如下：

某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

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