【网络通信】TCP三次握手、四次挥手

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在TCP/IP协议族中，TCP协议负责在两个网络节点之间建立可靠的连接，并保证数据包的顺序传输和数据的完整性。

1.TCP三次握手

TCP三次握手（Three-way Handshake）是TCP/IP协议中用于建立TCP连接的过程。这个过程确保了两个通信节点的初始化序列号（ISN）是同步的，同时也交换了彼此的初始窗口大小等参数。三次握手的过程如下：

第一次握手（SYN）：
- 客户端发送一个SYN（同步序列编号）标志的TCP段，以便开始一个新的连接。这个段中包含客户端的初始序列号（client_isn）。
第二次握手（SYN-ACK）：
- 服务器接收到客户端的SYN请求后，需要确认客户端的SYN，同时自己也发送一个SYN请求。服务器在响应中包含它自己的初始序列号（server_isn），并将确认序号设置为客户端的初始序列号加1，即client_isn + 1。
第三次握手（ACK）：
- 客户端收到服务器的SYN-ACK响应后，再次发送一个确认响应，这个响应中包含确认序号，设置为服务器的初始序列号加1，即server_isn + 1。

完成三次握手后，TCP连接就建立成功了，接下来就可以开始数据的传输了。

这个握手过程保证了双方都知道对方已经准备好接收和发送数据，同时也防止了因网络中遗留的、失效的连接请求而错误地建立连接。

在代码中实现TCP三次握手通常不需要手动编写底层的网络通信代码，因为TCP三次握手是由操作系统和网络协议栈自动完成的。当你使用高级编程语言（如Python、Java、C++等）中的套接字（Socket）库时，底层的TCP握手过程是由操作系统负责的。

在C语言中，使用套接字API（通常称为BSD套接字API）可以实现TCP客户端和服务器。以下是一个简单的例子，展示了如何在C语言中实现TCP服务器和客户端。

TCP服务器 (server.c):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[1024] = {0};const char* hello = "Hello from server";// 创建socket文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 绑定socket到地址if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {perror("setsockopt");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8080);if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 监听是否有客户端连接if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}// 接受客户端连接if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}// 读取数据read(new_socket, buffer, 1024);printf("Message from client: %s\n", buffer);// 发送数据send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);printf("Hello message sent\n");// 关闭连接close(new_socket);close(server_fd);return 0;
}

TCP客户端 (client.c):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>int main() {int sock = 0;struct sockaddr_in serv_addr;const char* hello = "Hello from client";char buffer[1024] = {0};// 创建socket文件描述符if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {printf("\n Socket creation error \n");return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);// 将IPv4地址从文本转换为二进制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");return -1;}// 连接到服务器if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {printf("\nConnection Failed \n");return -1;}// 发送数据send(sock, hello, strlen(hello), 0);printf("Hello message sent\n");// 读取数据read(sock, buffer, 1024);printf("Message from server: %s\n", buffer);// 关闭连接close(sock);return 0;
}

在上述代码中，服务器和客户端都使用套接字API来创建TCP连接。服务器首先创建一个套接字并绑定到指定的地址和端口，然后监听是否有客户端连接。客户端创建一个套接字并连接到服务器的地址和端口。连接成功后，双方可以通过套接字发送和接收数据。

要编译和运行这些程序，你需要有一个C编译器，如GCC。可以使用以下命令编译服务器和客户端：gcc -o server server.c gcc -o client client.c

然后，首先运行服务器：./server

在另一个终端中运行客户端：./client

客户端和服务器将通过TCP三次握手建立连接，然后客户端发送一个消息给服务器，服务器回复一个消息给客户端，最后双方关闭连接。

2.TCP四次挥手

TCP四次挥手（Four-way Handshake）是TCP/IP协议中用于终止一个TCP连接的过程。当一个连接的双方完成数据传输后，它们需要通过四次挥手来优雅地关闭连接。这个过程确保了所有在传输中的数据都被正确地处理，并且双方都同意断开连接。

四次挥手的过程如下：

第一次挥手（FIN）：
- 连接的一端（假设是客户端）发送一个FIN（结束）标志的TCP段，表示它已经完成发送数据，并希望关闭到另一端（服务器）的连接。
第二次挥手（ACK）：
- 服务器接收到这个FIN请求后，发送一个ACK（确认）响应，确认序号为收到FIN的序号加1。此时，服务器仍然可以发送数据，但客户端不再发送数据。
第三次挥手（FIN）：
- 一段时间后，服务器也完成了数据发送，发送一个FIN段给客户端，请求关闭连接。
第四次挥手（ACK）：
- 客户端收到服务器的FIN请求后，发送一个ACK响应，确认序号为收到服务器FIN的序号加1。在发送完这个ACK后，客户端会等待足够长的时间（通常是2倍的最大段生命周期MSL），以确保服务器收到确认包。

完成四次挥手后，TCP连接就正式关闭了。在这个过程中，每个方向的连接都是独立关闭的，这就是为什么需要四个步骤来完全终止连接。

需要注意的是，在四次挥手过程中，主动关闭连接的一端（如客户端）在发送完最后一个ACK后进入TIME_WAIT状态，而不是立即关闭连接。这是为了确保对方能够收到最后的ACK确认包，如果对方没有收到，会重新发送FIN请求。TIME_WAIT状态持续的时间通常是2倍的最大段生命周期MSL，这是一个保守的等待时间，确保在网络中遗留的TCP段都已经过期。

TCP连接中如何处理同时的双向关闭？

在TCP连接中，如果双方同时发送FIN包来关闭连接，这种情况被称为同时关闭（Simultaneous Close）。这种情况下，四次挥手的过程会稍微有所不同，但基本的原理是相同的：确保双方都同意关闭连接，并且所有在传输中的数据都被正确地处理。

同时关闭的过程如下：

双方同时发送FIN包：
- 连接的双方都发送一个FIN包给对方，表示自己已经完成了数据的发送，并希望关闭连接。
双方同时接收对方的FIN包，并回应ACK：
- 每一方收到对方的FIN包后，发送一个ACK包作为响应。这时，每个方向上的数据传输都已经关闭，但是双方都还在等待对方的最终确认。
双方再次发送ACK包：
- 在接收到对方的ACK包后，每一方都再次发送一个ACK包作为最终确认。这个ACK包的目的是确认对方的FIN包，以及告知对方自己的ACK包已经被接收。
双方关闭连接：
- 在发送完最后一个ACK包后，双方都可以关闭连接。在关闭连接之前，每一方都会等待足够长的时间（通常是2倍的最大段生命周期MSL），以确保对方能够收到最后的ACK包。

在同时关闭的情况下，连接的双方都会进入TIME_WAIT状态，以确保所有的TCP段都已经过期，从而避免了旧的连接信息干扰新的连接。TIME_WAIT状态对于防止网络中的旧连接信息（例如延迟的TCP段）对后续连接造成影响是非常重要的。

在实际的网络编程中，同时关闭的情况并不常见，因为通常一方（如客户端）会主动发起关闭，而另一方（如服务器）则会响应这个关闭请求。然而，了解同时关闭的处理方式对于理解TCP协议的完整性和健壮性是很有帮助的。

在四次挥手过程中，如果网络出现问题，应该如何处理？

在TCP四次挥手过程中，如果网络出现问题，TCP协议提供了多种机制来处理这些情况，确保连接能够可靠地关闭。以下是一些可能的问题及其处理方式：

丢失FIN包：
- 如果一方发送的FIN包在网络上丢失，发送方会等待接收方的ACK确认。如果在一定时间内没有收到确认，发送方会重新发送FIN包。
丢失ACK包：
- 如果一方发送的ACK包在网络上丢失，接收方会等待对方的下一个TCP包。如果对方也处于等待状态，那么双方可能会陷入死锁。为了解决这个问题，TCP使用了一个超时重传机制，发送方在等待ACK超时后会重新发送FIN包。
连接中的一方崩溃：
- 如果连接中的一方崩溃，另一方将不会收到预期的ACK包。在这种情况下，发送方会重传FIN包，但由于对方已经崩溃，重传不会得到响应。最终，发送方会认为对方已经关闭，并在超时后关闭自己的连接。
网络分区：
- 如果网络分区导致双方无法通信，每一方都可能认为对方已经崩溃。在这种情况下，每一方都可能开始关闭连接的过程，但由于无法通信，四次挥手无法完成。当网络恢复时，可能会出现重复的FIN包和ACK包，但TCP协议能够处理这种情况，确保连接最终能够正确关闭。
延迟的TCP段：
- 在连接关闭后，如果网络中仍然有延迟的TCP段，这些段可能会干扰后续的连接。为了防止这种情况，TCP在关闭连接后进入TIME_WAIT状态，等待足够长的时间以确保所有的TCP段都已经过期。

TCP协议的设计考虑了网络的不可靠性，并通过上述机制来确保连接的可靠性。这些机制包括超时重传、序列号和确认号的使用、以及TIME_WAIT状态等。因此，即使在网络出现问题的情况下，TCP仍然能够尽可能地保证连接的正确关闭。

在TCP连接关闭过程中，如何处理并发的多个连接请求？

在TCP连接关闭过程中，服务器通常需要处理并发的多个连接请求。这是通过多线程或多进程技术来实现的，允许服务器同时处理多个客户端的连接和关闭请求。以下是一些处理并发连接请求的方法：

多线程：
- 服务器可以为每个新的连接创建一个线程。当客户端连接到服务器时，服务器接受连接并创建一个新的线程来处理该连接。这样，每个连接都有自己的线程，可以在独立的上下文中进行通信和关闭。
多进程：
- 类似于多线程，服务器可以为每个连接创建一个新的进程。这种方法在操作系统级别提供了隔离，但相对于多线程，进程之间的通信开销更大。
非阻塞IO和事件驱动：
- 使用非阻塞IO和事件驱动的编程模型，如使用epoll（Linux）、kqueue（BSD）、IOCP（Windows）等，可以允许服务器在一个线程或进程中处理多个连接。这种模型通过在事件发生时（如数据到达、连接建立或关闭）进行回调，从而实现高效的并发处理。
线程池或进程池：
- 为了避免频繁创建和销毁线程或进程的开销，服务器可以使用线程池或进程池。预先创建一定数量的线程或进程，然后将它们分配给新的连接。这种方法可以平衡资源使用和性能。
异步IO：
- 异步IO允许服务器发起IO操作（如接收数据、发送数据、接受连接等）而无需等待操作完成。这样，服务器可以在单个线程或进程中处理多个连接，而不会因为等待IO操作而阻塞。