TCP服务建立的全流程详解

TCP的服务监听步骤（等待客户端连接前）

TCP 服务器通过以下步骤完成从初始化到等待客户端连接，为后续的数据传输（send()/recv()）奠定了基础

一、创建套接字（Socket）

• 作用：套接字是网络通信的端点，用于标识通信中的双方（IP 地址和端口号）。服务器首先需要创建一个套接字，作为后续监听和通信的基础。
• 实现：应用程序通过系统调用（如socket()）创建套接字，指定地址族（如 IPv4 用AF_INET）、传输层协议（TCP 用SOCK_STREAM）等参数。
• 示例：在 Linux 中，int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 会创建一个 TCP 套接字，返回套接字描述符sockfd。

二、绑定套接字到本地地址和端口（Bind）

• 作用：将创建的套接字与服务器的本地 IP 地址和指定端口号绑定，确保客户端能通过该地址和端口找到服务器。
• 实现：
  1. 应用程序定义一个包含本地 IP 地址和端口号的结构体（如sockaddr_in）。
  2. 通过系统调用（如bind()）将套接字与该结构体绑定。
• 注意：
  • 端口号通常选择 1024 以上的非特权端口（避免与系统服务冲突）。
  • 若 IP 地址设为INADDR_ANY（通配地址），表示服务器监听所有可用的本地网络接口。
• 示例：bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

三、设置监听状态（Listen）

• 作用：将绑定后的套接字转换为监听套接字，使其能够接收客户端的连接请求。同时，操作系统会为该套接字维护一个连接请求队列（未完成三次握手的客户端请求）。
• 实现：通过系统调用（如listen()）设置监听，参数包括监听套接字和队列的最大长度（backlog，即最多能同时等待处理的连接请求数）。
• 注意：backlog的值需根据服务器性能和预期并发量设置，若队列满，新的连接请求会被拒绝（客户端可能收到 “连接超时” 错误）。
• 示例：listen(sockfd, 5);（表示最多允许 5 个连接请求在队列中等待）。

四、等待并接受客户端连接（Accept）

• 作用：监听套接字进入阻塞状态（默认情况），等待客户端的连接请求。当有客户端发起连接时，服务器通过accept()系统调用接受连接，生成一个新的连接套接字用于与该客户端通信。
• 过程：
  1. 客户端通过connect()发起 TCP 连接请求，与服务器进行三次握手。
  2. 三次握手完成后，连接请求从 “未完成队列” 移至 “已完成队列”。
  3. 服务器调用accept()从 “已完成队列” 中取出一个连接请求，创建新的连接套接字（与监听套接字的 IP 和端口相同，但用于单独的客户端通信）。
• 注意：
  • 监听套接字始终保持监听状态，用于接收新的连接请求；连接套接字则用于与特定客户端的数据传输。
  • 若需处理并发连接，服务器通常会通过多线程、多进程或 I/O 复用（如select、epoll）来同时管理多个连接套接字。
• 示例：int new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);（new_fd即为新的连接套接字）。

总结：TCP 服务监听的完整流程

1. 创建套接字（socket()）→ 2. 绑定地址和端口（bind()）→ 3. 设置监听（listen()）→ 4. 接受连接（accept()）。

服务端与客户端通信（3握手4挥手）

TCP 通信遵循 "三次握手建立连接、数据传输、四次挥手断开连接" 的经典模式，这种模式确保了通信的可靠性和有序性。

1. 连接建立：三次握手

TCP 是面向连接的协议，在进行实际数据传输前，通信双方必须先建立连接，这个过程被形象地称为 "三次握手"（Three-way Handshake）。

• 第一次握手：客户端发送 SYN（同步序列编号）报文段，告知服务器客户端的初始序列号（ISN），并请求建立连接。
• 第二次次握手：服务器收到 SYN 后，返回一个 SYN+ACK（确认）报文段，包含服务器的初始序列号，并确认收到客户端的 SYN（ACK 值 = 客户端 ISN+1）。
• 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 后，发送一个 ACK 报文段，确认收到服务器的 SYN（ACK 值 = 服务器 ISN+1）。

三次握手完成后，TCP 连接正式建立，双方可以开始数据传输。这种设计有效防止了因网络延迟导致的 "已失效的连接请求报文段" 被服务器接收，从而避免资源浪费。

2. 数据传输阶段

连接建立后，进入数据传输阶段。TCP 通过以下机制保证数据传输的可靠性：

• 序列号与确认机制：每个数据字节都有一个序列号，接收方收到数据后会返回确认信息，告知发送方已成功接收的数据量。
• 超时重传：发送方设置超时计时器，若在规定时间内未收到确认，则重传数据。
• 流量控制：通过滑动窗口机制，控制发送方的发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
• 拥塞控制：检测网络拥塞状态并调整发送速率，避免网络过载。

3. 连接终止：四次挥手

当通信结束需要断开连接时，TCP 使用 "四次挥手"（Four-way Wavehand）过程：

• 第一次挥手：主动关闭方发送 FIN（结束）报文段，告知对方要关闭连接。
• 第二次挥手：被动关闭方收到 FIN 后，返回 ACK 确认，此时主动关闭方到被动关闭方的连接半关闭。
• 第三次挥手：被动关闭方准备好关闭连接后，也发送一个 FIN 报文段。
• 第四次挥手：主动关闭方收到 FIN 后，返回 ACK 确认，被动关闭方到主动关闭方的连接也半关闭。等待一段时间确保确认报文送达后，连接完全关闭。

四次挥手的设计是因为 TCP 连接是全双工的，允许双方独立关闭各自的发送通道。

服务端的全流程

1. 调用 socket 函数创建 socket（监听socket）
2. 调用 bind 函数 将 socket绑定到某个ip和端口的二元组上
3. 调用 listen 函数 开启侦听
4. 当有客户端请求连接上来后，调用 accept 函数接受连接，产生一个新的 socket（客户端 socket）
5. 基于新产生的 socket 调用 send 或 recv 函数开始与客户端进行数据交流
6. 通信结束后，调用 close 函数关闭监听 socket

1. 三次握手（建立连接）发生在第 4 步：accept() 函数执行期间

• 当服务器调用 listen() 后，进入 “监听” 状态，内核会维护两个队列：
  • 未完成连接队列：客户端已发送 SYN 但三次握手未完成的请求。
  • 已完成连接队列：三次握手已完成、等待服务器处理的连接。
• 当客户端调用 connect() 发起连接时，内核会自动完成三次握手：
  1. 客户端发送 SYN → 服务器内核接收并放入未完成队列，返回 SYN+ACK（第二次握手）。
  2. 客户端返回 ACK（第三次握手）→ 服务器内核将连接从 “未完成队列” 移至 “已完成队列”。
• 此时服务器调用 accept() 函数，只是从 “已完成队列” 中取出一个已建立的连接，并创建新的客户端 socket。三次握手的整个过程由内核在 listen() 之后、accept() 返回之前自动完成，应用程序无需干预。

2. 四次挥手（断开连接）发生在数据传输结束后，由 close() 函数触发

• 当通信双方（客户端或服务器）决定结束连接时，调用 close() 函数会触发内核执行四次挥手：
  1. 主动关闭方调用 close() → 内核发送 FIN 报文（第一次挥手）。
  2. 被动关闭方收到 FIN 后，内核自动返回 ACK（第二次挥手），此时主动关闭方向被动关闭方的连接 “半关闭”。
  3. 被动关闭方处理完剩余数据后，调用 close() → 内核发送 FIN 报文（第三次挥手）。
  4. 主动关闭方收到 FIN 后，内核自动返回 ACK（第四次挥手），等待超时后连接完全关闭。
• 注意：通常服务器会先关闭 “客户端 socket”（与单个客户端的连接），最后再关闭 “监听 socket”（停止接受新连接）。四次挥手由内核在 close() 调用后自动完成，应用程序只需调用 close() 触发这个过程。