从TCP到Socket，彻底理解网络编程是怎么回事

另外，本文实现了一个基本的客户端和服务端通信的程序，这个模式的通信在实际生产中几乎不再使用。在实际生产中为了提高数据传输和处理的效率，通常采用异步模式，这些内容超出了本文的介绍范围，后续文章会逐渐介绍。

TCP协议详解

前文说了网络协议是网络中不同计算机信息通信的语言，为了实现交互，这个语言就需要有一定的格式。本文以TCP协议为例进行介绍。

TCP协议是一个可靠的传输协议，其可靠性表现在2方面，一方面是保证数据包可以按照发送的顺序到达，另外一方面是保证数据包一定程度的正确性(后文详解为什么是一定程度上的正确性)。其可靠性的实现则基于2点技术，一点是具有一个CRC校验，这样如果数据包中的某些数据出现错误可以通过该校验和发现;另外一点是每个数据包都有一个序号，这样就能保证数据包的顺序性，如果出现错位的数据包可以请求重发。

既然说到了格式，那我们先看一下TCP数据包的数据格式。如下图是TCP数据包的格式，包括原端口、目的端口、序列号和标识位等等内容，内容有些多，看着可能有点眼花。但从大的方面理解，这个数据包其实只包含2部分内容，一个是包头，另外一个则是具体需要传输的数据。在TCP协议的控制逻辑中，包头起着最为关键的作用，它是TCP协议中诸如建立连接、断开连接、重传和错误校验等各种特性的基础。

图2 TCP数据包格式

包头的其它信息的含义都比较明了，本文仅仅介绍几个标志位(URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN)的含义。具体含义如下：

• ACK: 确认序号有效。
• RST：重置连接
• SYN：发起一个新连接
• FIN：释放一个连接

连接的建立

TCP在具体传输数据之前需要建立连接。这里的连接并不是物理连接，物理连接基于底层的协议已经建立完成，而且TCP建立连接也是要假设底层连接已经成功，TCP的连接其实是一个虚拟的，逻辑的连接。简单粗暴的理解，就是客户端和服务端分别记录了各自接受到的数据包的序号，并且将自身设置为某种状态。在TCP协议中，连接的建立通常成为3次握手，从字面的概念可以看出，连接的建立需要经过3次确认的过程。

图3 建立连接的3次握手

TCP协议3次握手的过程如图所示，初始状态客户端和服务端都处于关闭状态。主要过程分为3步：

• 客户端发送预连接数据包： TCP的连接是由客户端主动发起建立，客户端会发送一个数据包(报文)给服务端，需要注意的是数据包中的SYN标识位为1。我们前文已经介绍，如果SYN为1，则说明为建立连接的数据包。同时，在该数据包中包含一个请求序列号，，该序列号也是建立连接的依据。
• 服务端回复连接确认： 服务端确认可以建立连接(服务端不一定可以建立连接，因为系统中套接字的数量是有限的)的情况下会向客户端发送一个应答数据包。在应答数据包中会将ACK标志位设置为1，表示为服务端应答数据包。同时，在应答数据包中会设置请求序列号和应答序列号的值，具体参考图3.
• 客户端回复连接确认： 最后，客户端再次发送一个连接确认数据包，告诉服务端连接建立成功。

从上面流程可以看出，连接的建立需要经过多次交互，这就是我们日常中所说的建立连接是高成本的操作。在实际生产环境中，为了应对这个问题，会减少连接建立的频度，通常的做法是建立连接池，传输数据时直接从连接池中获取连接，而不是新建连接。

有人可能觉得可以对建立连接的过程进行优化，比如将客户端最后一次的确认取消掉，觉得这个没有卵用。对于正常情况确实没有多大的作用，这里主要是应对异常情况。因为网络拓扑是非常复杂的，特别是在广域网中，有着数不清的网络节点，因此会出现各种异常情况。因此，TCP协议在设计的时候必须要保证异常情况下的可靠性。

（编辑：西安站长网）

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