網路程式設計之理論篇

網路通訊作為網際網路的技術支援，已被廣泛應用在軟體開發中，無論是web，服務端，客戶端還是桌面應用，都是必須掌握的一門技術。

在軟體開發層面實現遠端資料交換的程式設計技術。

要熟悉網路程式設計，首先需要學習網路協議的相關知識。

什麼網路協議呢？網路協議是為網路中進行資料交換定義的規則，以實現按此規範進行傳輸資料，就可在整個網際網路中進行資料交換的目標。所以說網路協議是網路通訊的基礎。

網路協議中其中最著名就是tcp/ip協議族。tcp/ip協議族通常被認為是乙個四層的協議系統。從上到下依次為：

從tcp/ip協議族各層次的職責來看，網路資料的傳遞是從上到下依次傳遞。以http協議為為例，具體的資料傳輸過程如圖所示:

簡單來說，資料從本機上傳到網路之前，會在tcp/ip協議族的每一層新增協議首部，到達目標主機後，目標主機再進行分解，從而獲取需要的資料。

在眾多的網路協議中，使用最廣泛的應該就是tcp協議（傳輸控制協議）了，它是一種面向連線，可靠的，基於位元組流的傳輸層協議。其執行過程分為三個階段：建立連線、交換資料、斷開連線。

在使用tcp協議交換資料前，需先建立一條連線，在不需要傳送資料的時候，需要斷開連線，以釋放資源。

建立連線

tcp協議建立連線時需要三次握手，其過程可使用以下場景來描述：

面試官：說一下tcp建立連線時三次握手的過程。小明：三次握手？面試官：嗯。小明：握手完成了。面試官：what?

沒錯，從小明開始問三次握手到說握手完成就是三次握手的過程，具體的過程如下：

客戶端發向服務端傳送乙個syn段，以告知客戶端要連線服務端的指定埠；

服務端收到客戶端的報文後，返回乙個對客戶端報文進行確認的ack段（syn+1）和乙個表示服務端報文的syn段；

客戶端收到服務端傳送的報文後，對服務端傳送乙個ack（服務端的syn+1），至此，客戶端和服務端就建立了一條連線。

為什麼需要3次握手而不是2次呢？

因為客戶端收到服務端的應答後，知道連線已建立成功，但是服務端並不知道自己傳送的確認報文客戶端是否收到，所以需要客戶端對服務端的報文進行確認。

服務端一定能收到客戶端傳送的確認報文麼？

不一定，如果收不到，那麼連線就不會建立，所以，3次握手只是理論上確保建立連線的次數。那能否通過4次握手呢？不行，再握下去就是雞生蛋，蛋生雞的問題了。

斷開連線

tcp斷開連線時需要四次握手，為什麼需要4次呢？這是由於tcp半關閉的性質造成的。所謂半關閉，就是可以傳送資料，卻不能接收資料或只能接收資料，不能傳送資料。

四次握手的過程：（由於主動斷開連線可傳送在客戶端，也可傳送在服務端，所以下面以a，b來區分兩端）

a端向b端傳送乙個fin, 告知a端即將斷開連線；

b端收到a端傳送的fin後傳送乙個ack對其進行確認;

隨後b端向再a端傳送乙個fin，以告知b端也即將斷開連線；

a端時候到b端的fin報文後，對其傳送乙個ack以示確認。

b端在對a端進行確認的時候為什麼不同時發乙個fin呢？

可以同時發。分開發是為了考慮b端在對a端確認後，可能還會給a繼續傳送資料的情況。

listen: 服務端狀態，表示服務端正在等待客戶端的連線請求，處於監聽狀態； syn收到：服務端狀態，服務端已收到客戶端的連線請求，並對客戶端的請求傳送了ack確認（第二次握手完成）； syn_sent: 客戶端狀態，客戶端傳送syn或資料後的狀態（第一次握手完成）； established: 客戶端對服務端的syn進行確認後處於established，服務端收到客戶端傳送的ack後也會處於 established狀態（三次握手完成後的狀態）； fin_wait_1: 主動關閉的一端的狀態，傳送fin後的狀態（斷開連線時的第一次握手完成）； fin_wait_2: 主動關閉的一端的狀態，收到另一端的ack確認後的狀態（斷開連線時的第二次握手完成）； closing：主動關閉的一端的狀態，收到另一端的fin，並對其進行確認後的狀態（客戶端和服務端同時關閉的情況）； time_wait: 主動關閉的一端的狀態，，收到另一端的fin或（fin和ack）後，對其進行確認後的狀態（斷開連線時最後一次握手完成）； close_wait: 被動關閉的一端的狀態，收到另一端傳送的fin並對其進行確認後的狀態（斷開連線時第二次握手完成）； last_ack: 被動關閉的一端的狀態，傳送fin後的狀態（斷開連線時第三次握手完成）； closed：連線徹底斷開；

tcp/ip協議族誕生之後，各個平台（window, unix）就按照此協議規範在系統層面為開發網路程式提供了統一的介面——socket。通過這個面向傳輸層協議的系統介面，我們可通過tcp/udp協議快速實現網路資料的交換，同時也可用來實現應用層協議，如http， ssl等。

socket是作業系統為上層應用實現網路資料交換提供的介面，我們可通過以下場景來理解：

當你給別人打**的時候首先要確認打給誰，其次確認打哪個號碼，通過這兩個條件就可準確的聯絡到對方。那麼在網路中傳輸資料也是同樣的道理，在網路中定位主機是通過ip來實現的，乙個ip代表了一台主機，但是每台主機有很多個埠號，所以要準確地與某個應用進行資料交換，除了ip位址外，還需要乙個埠號。有了這兩個條件，就可通過socket實現資料交換。由此可見，socket其實就相當於一部手機，兩部手機之間建立一條通路即可實現通話。

客戶端

建立scoket;

連線伺服器；

傳送、接收資料；

關閉socket連線

**實現（linux c程式設計）：

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include int main(int argc, char *argv)
memset(recvbuff, '0',sizeof(recvbuff));
// 建立socket
if((sockfd = socket(af_inet, sock_stream, 0)) < 0)
// 設定ip和埠
memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr)); 
serv_addr.sin_family = af_inet;
serv_addr.sin_port = htons(5000); 
if(inet_pton(af_inet, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
// 連線到指定的ip和埠 -> 連線成功後即三次握手完成
if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
// 讀資料
while ( (n = read(sockfd, recvbuff, sizeof(recvbuff)-1)) > 0)
} if(n < 0)
close(scokfd);
return 0;
}

服務端

建立socket;

繫結ip和埠；

監聽客戶端的連線；

接收客戶端的連線；

傳送、接收資料

關閉socket連線；

**實現：（linux c程式設計）

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include int main(int argc, char *argv)

}

**出處

通過以上**，我們對socket有了乙個簡單的認識，同時也了解了資料交換的基本流程。後面會對基於tcp協議的http協議進行乙個詳細的介紹。

tcp/ip協議族

傳輸控制協議

《tcp/ip詳解卷一》

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