UNIX网络编程——SOCKET API和TCP STATE的对应关系_三次握手_四次挥手及TCP延迟确认

在socket系统调用中,如何完成三次握手和四次挥手:

SOCK_DGRAM即UDP中的connect操作知识在内核中注册对方机器的IP和PORT信息,并没有建立连接的过程,即没有发包,close也不发包)。

而SOCK_STREAM对应如下:

connect会完成TCP的三次握手,客户端调用connect后,由内核中的TCP协议完成TCP的三次握手;

close操作会完成四次挥手。

三次握手对应的Berkeley Socket API:

可以看出和连接建立相关的API有:connect, listen,accept   3个,connect用在客户端,另外2个用在服务端。

对于TCP/IP protocol stack来说,TCP层的tcp_in&tcp_out也参与这个过程。我们这里只讨论这3个应用层的API干了什么事情。

(1) connect

发送了一个SYN,收到Server的SYN+ACK后,代表连接完成。发送最后一个ACK是protocol stack,tcp_out完成的。

(2)listen

在server这端,准备了一个未完成的连接队列,保存只收到SYN_C的socket结构;

还准备了已完成的连接队列,即保存了收到了最后一个ACK的socket结构。

(3)accept

应用进程调用accept的时候,就是去检查上面说的已完成的连接队列,如果已完成的队列里有连接,就返回这个连接;如果没有,即空的,blocking方试调用,就睡眠等待;nonblocking方式调用,就直接返回,一般一"EWOULDBLOCK“ errno告诉调用者,连接队列是空的。

 注意:

在上面的socket API和TCP STATE的对应关系中,TCP协议中,客户端收到Server响应时,可能会有会延迟确认。

即客户端收到数据后,会阻塞给Server端确认。

可以在每次收到数据后:

调用setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_QUICKACK, (int[]){1}, sizeof(int));  快速给Server端确认。

我们如何判断有一个建立连接请求或一个关闭连接请求:

建立连接请求:

1、connect将完成三次握手,accept所监听的fd上,产生读事件,表示有新的连接请求;

关闭连接请求:

1、close将完成四次挥手,如果有一方关闭sockfd,对方将感知到有读事件,

如果read读取数据时,返回0,即读取到0个数据,表示有断开连接请求。(在操作系统中已经这么定义)

关闭连接过程中的TCP状态和SOCKET处理,及可能出现的问题:

TIME_WAIT

TIME_WAIT 是主动关闭 TCP 连接的那一方出现的状态,系统会在 TIME_WAIT 状态下等待 2MSL(maximum segment lifetime  )后才能释放连接(端口)。通常约合 4 分钟以内。

进入 TIME_WAIT 状态等待 2MSL 的目的:

1、确保连接可靠地关闭; 即防止最后一个ACK丢失。

2、避免产生套接字混淆(同一个端口对应多个套接字)。

意思是,一方close发送了关闭连接请求,对方的应答迟迟到不了(例如网络原因),导致TIME_WAIT超时,此时这个端口又可用了,我们在这个端口上又建立了另外一个socket连接。如果此时对方的应答到了,怎么处理呢?其实这个在TCP层已经处理了,由于有TCP序列号,所以内核TCP层,就会将包丢掉,并给对方发包,让对方将sockfd关闭。 所以应用层是没有关系的。即我们用socket API编写程序,就不用处理。

注意:

TIME_WAIT是指操作系统的定时器会等2MSL,而主动关闭sockfd的一方,并不会阻塞。(即应用程序在close时,并不会阻塞)。

当主动方关闭sockfd后,对方可能不知道这个事件。那么当对方(被动方)写数据,即send时,将会产生错误,即errno为: ECONNRESET。

服务器产生大量 TIME_WAIT 的原因:(一般我们不这样开发Server)

服务器存在大量的主动关闭操作,需关注程序何时会执行主动关闭(如批量清理长期空闲的套接字等操作)。

一般我们自己写的服务器进行主动断开连接的不多,除非做了空闲超时之类的管理。(TCP短连接是指,客户端发送请求给服务器,客户端收到服务器端的响应后,关闭连接)。

CLOSE_WAIT

CLOSE_WAIT 是被动关闭 TCP 连接时产生的,如果收到另一端关闭连接的请求后,本地(Server端)不关闭相应套接字就会导致本地套接字进入这一状态。

(如果对方关闭了,没有收到关闭连接请求,就是下面的不正常情况)

按状态机,我方收到FIN,则由TCP实现发送ACK,因此进入CLOSE_WAIT状态。但如果我方不执行close(),就不能由CLOSE_WAIT迁移到LAST_ACK,则系统中会存在很多CLOSE_WAIT状态的连接。

如果存在大量的 CLOSE_WAIT,则说明客户端并发量大,且服务器未能正常感知客户端的退出,也并未及时 close 这些套接字。(如果不及时处理,将会出现没有可用的socket描述符的问题,产生问题的原因,没有及时close)。

正常情况下,一方关闭sockfd,另外一方将会有读事件产生, 当recv数据时,如果返回值为0,表示对端已经关闭。此时我们应该调用close,将对应的sockfd也关闭掉。

不正常情况下,一方关闭sockfd,另外一方并不知道,(比如在close时,自己断网了,对方就收不到发送的数据包)。此时,如果另外一方再向对应的sockfd上写send或读recv数据。

recv时,将会返回0,表示连接已经断开。

send时, 将会产生错误,errno为ECONNRESET。

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