本专题内容均来自 Stevens 先生的 Unix 网络编程卷I

TCP 建立与中止

三次握手

从图中可以看出：

服务端必须准备好接受外来的连接，称之为被动打开。调用的函数为 socket, bind 和 listen 。
客户端主动的像服务端发起连接时，会向服务端发送一个 SYN 分节，它告诉服务端接下来数据的初始序列号，此分节通常不携带数据。调用的函数为 connect 。
服务端收到连接请求后，需要确认客户端的 SYN, 也就是回发一个 ACK, 同时也要发送一个 SYN 分节，其包含了同一连接中发送数据的初始序列号。
客户端随后确认来自服务端的 SYN。

Note:
关于初始序列号，客户端或者服务端在发送 SYN 是都会携带初始序列号，在确认 SYN 的 ACK 中，携带的序列号必须是这个初始序列号加1。如图中所示的 J 和 J+1; K 与 K+1。

tcp中 SYN 的常用选项
(1) MSS 选项（maximum segment size）
(2) 窗口规模选项
(3) 时间戳选项

那么问题来了：为什么采用三次握手而不是两次？
（1）为了防止已失效的连接请求发送到服务端，浪费资源。这种预防是很有必要的，因为这样可以防止很多恶意的网络攻击。
（2）为了同步序列号，实现可靠传输。tcp 是全双工的，如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认。假定通过超时重传策略实现两次握手后双方都确认起时序列号，那么握手时间将增加，连接建立时间将变长。

四次挥手

以客户端主动关闭为例：

客户端发送一个 FIN 分节，告知服务端，客户端数据发送完毕，即将关闭。调用 close 函数。
服务端接收到来自客户端的 FIN 后，即可回复确认 ACK, 并将 FIN 放在队列中等候处理。
服务端在处理完这个连接的所有数据后，也会调用 close 关闭，即向客户端发送 FIN 分节。
客户端收到 FIN 分节后，同样回复确认 ACK。此时客户端进入 TIME_WAIT 状态。

Note:
(1) Q: 什么情况下存在 TIME_WAIT 状态？
A: 主动发起关闭连接的一端会存在 TIME_WAIT 状态。
(2) Q: TIME_WAIT 状态存在的意义？
A: 主要有两个理由：
I) 可靠的实现TCP 全双工连接的终止。因为最后的确认 ACK 可能会丢失，如果没有 TIME_WAIT 状态，被动关闭的一方将会超时重传 FIN, 此时主动关闭方已经关闭了，无法回传确认 ACK 了。
II) 允许老的重复分节在网络中消逝。TIME_WAIT 状态持续的时间为 2*MSL, 保证了相同 IP 和端口重复连接时，旧的重复分组已经在网络中消逝。

状态转换图

套接字编程

仅以 IPv4 套接字为例。

在头文件 <netinet/in.h>中，POSIX 定义了 IPv4 的套接字地址结构：

struct in_addr{in_addr_t    s_addr;
}struct sockaddr_in{uint8_t           sin_len;sa_family_t       sin_family;in_port_t         sin_port;struct in_addr    sin_addr;char              sin_zero[8];
}

通用套接字地址结构

struct sockaddr{uint8_t      sa_len;sa_family_t  sa_family;     //AF_xxxchar         sa_data[14];
}

绑定套接字函数的 ANSI C 原型为

int bind(int, struct sockaddr*, socklen_t);

意味着在绑定套接字时，需要进行强制类型转换

struct sockaddr_in serv;
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv, sizeof(serv));

需要注意：套接字数据结构大小的数据类型是 socklen_t，而不是 int。POSIX 建议将 socklen_t 定义为 uint32_t。

字节序

字节序没有标准，不同的系统可能是大端排序，也可能是小端排序的。

什么是大端和小端

如何判断系统的字节序

/**
* @return 0: unknown; 1: big-endian; 2: little-endian
*/
unsigned int host_byte_order()
{union {short s;char c[sizeof(s)];}un;un.s = 0x0102;if(2 == sizeof(short)){if(1 == un.c[0] && 2 == un.c[1]){return 1;}else if(2 == un.c[0] && 1 == un.c[1]){return 2;}}return 0;
}int main()
{printf("%s: ",CPU_VENDOR_OS);unsigned int ret = host_byte_order();if(1 == ret){printf("big-endian\n");}else if(2 == ret){printf("little-endian\n");}else{printf("unknown\n");}return 0;
}

关于 CPU_VENDOR_OS 宏：
随书源码根目录下运行 configure 文件即可生成 config.h文件，config.h文件中会有这个宏定义。

字节序间转换

#include <netinet/in.h>
//返回网络字节序
uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);//返回主机字节序
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);

h: host
n: net
l: long
s: short

在网络编程时，统一转成网络字节序。例如端口13的转化

#include "byte_oder.h"
#include <netinet/in.h>int main()
{test_host_byte_order();uint16_t port_n = htons(13);uint16_t port_h = ntohs(port_n);printf("port_n = %d, port_h = %d\n", port_n,port_h);return 0;
}

13 的16进制为 0x0D, 大端排序则为 0x0D00，转换10进制为 3328.

字节操作

#include <string.h>
//将目标字符串指定数目的字节清0
void bzero(void *dest, size_t nbytes);
//从源地址拷贝指定长度的字节到目的地址，与memcpy函数参数位置相反，并且memcpy函数在源字节串与目的字节串有重叠时可能出现不可预料的错误，而bcopy能正确处理。
void bcopy(const void *src,void *dest, size_t nbytes);
int bcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t nbytes);

注意：源字节串与目的字节串有重叠时用 memcpy 不安全的，可以使用 bcopy，也可以用 memmove函数代替。

地址转换函数

#include <arpa/inet.h>
/**
* @description 将 strptr 所指的字符串转换成32位网络字节序二进制值，并通过 addrptr指针存储
* @return 成功：1；失败：0
*/
int inet_aton(const char* strptr, struct in_addr *addrptr);/**
* 这是一个被废弃的函数
*
* @description 与 inet_aton 函数功能一样，但是不能像 inet_aton 函数一样对 IP 执行检查，
* 即默认所有 2^32个可能的二进制值都是有效的，出错时返回 INADDR_NONE(通常是32位全1的值)，
* 这意味着255.255.255.255不能由此函数处理。
*/
in_addr_t inet_addr(const char* strptr);/**
* @description 将32位网络序二进制IPv4 转换为点分十进制数串。
*/
char* inet_ntoa(struct in_addr inaddr);

#include <arpa/inet.h>
int main()
{struct in_addr addr;int ret = inet_aton("192.168.1.126",&addr);if(ret){printf("192.168.1.126 的网络字节序为: %d\n",addr.s_addr);printf("网络字节序: %d,转换为十进制点分数串： %s\n",addr.s_addr,inet_ntoa(addr));}return 0;
}

以下函数兼容 IPv4 和 IPv6
family 既可以是 AF_INET 也可以是 AF_INET6

#include <arpa/inet.h>
/**
* @description 将 strptr 所指的字符串转换成32位网络字节序二进制值，并通过 addrptr指针存储
* @return 成功：1；失败：0
*/
int inet_pton(int family,const char* strptr,void *addrptr);
/**
* @description 将32位网络序二进制IPv4 addrptr 转换为点分十进制数串 strptr。
* len 为 strptr 空间长度，如果这个长度不够则返回nullptr,并置 errno 为 ENOSPC。
* strptr 不可以为空，必须提前分配好空间。
*/
const char *inet_ntop(int family, const void *addrptr, char* strptr, size_t len);

调用实例

struct in_addr addr;
int ret = inet_pton(AF_INET,"192.168.1.126",(void*)&addr);
if(ret)
{printf("192.168.1.126 的网络字节序为: %d\n",addr.s_addr);
}

套接字函数

基本 TCP 客户、服务器程序的套接字函数如下图

#include <sys/socket.h>
/**
* 当 protocol 设置为 0 时，选择 family 和 type 组合的系统默认值
* 返回套接字描述符（sockfd）, 一个非负整数值
*/
int socket(int family, int type, int protocol);int connect(int sockfd, const struct *servaddr, socklen_t addrlen);int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);int listen(int sockfd, int backlog);int accept(int sockfd, const struct sockaddr* cliaddr, socklen_t *addrlen);

这里需要注意的：
listen 函数中的 backlog 参数，这个是已连接队列和未连接完成队列之和，详细不展开，相关知识在第4章第五节。
accept 是一个阻塞函数，从已连接队列中取出已连接 sockect。

目前掌握的知识只能写演示代码，还不足以商用。

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