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Linux网络编程深入解析Linux TCP：TCP实操，三次握手和四次挥手的底层分析

news 来源：原创 2025/8/10 0:47:50

知识点1【TCP编程概述】

1、TCP的概述

客户端：主动连接服务器，和服务器进行通信

服务器：被动被客户端连接，启动新的线程或进程，服务器客户端（并发服务器）

这里重复TCP和UDP特点

TCP（传输控制协议）：是一种靠谱的传输层协议，

买电话买电话卡开声音按下接听

知识点2【TCP客户端编程】

1、创建TCP套接字

SOCK_STREAM

socket函数创建的TCP套接字，没有端口，且默认是主动连接特性

2、connect函数连接服务器

   #include <sys/types.h>          #include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

功能介绍

客户端主动发出与TCP服务器的连接（三次握手）

参数

sockfd：客户端套接字

addr：只想服务器的地址结构体

addrlen：地址结构体的长度

返回值

成功：0

失败：返回-1

注意

TCP客户端通信之前，必须实现建立和服务器之间的连接

connect连接成功一个服务器，不能再次连接其他服务器

inet_addr()（补充函数，平替pton）函数仅支持IPv4

如果socket没有固定端口，在调用connect时系统自动分配随机端口为源端口

connect实际上是带阻塞的，需要三次握手

3、send发送消息

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

功能介绍

通过已连接套接字发送数据

参数

sockfd：已连接套接字（下面accept函数中会介绍）

buf：带发送数据的缓冲区指针

len：要发送的字节数

flags：控制标志

MSG_OOB：发送带外数据（紧急数据）。
MSG_DONTWAIT：非阻塞发送（立即返回）。
MSG_NOSIGNAL：禁止发送SIGPIPE信号。

返回值

成功：返回实际发送的字节数

失败：返回-1

注意

TCP不能发出0长度报文，但是UDP可以。

4、recv接收数据（默认阻塞）

   #include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

功能介绍

从已连接套接字接收数据

参数

sockfd：已连接套接字

buf：接收数据的缓冲区指针

len：缓冲区最大容量

falgs：控制标记

返回值

成功：返回实际接收到的字节数

失败：返回-1

注意

recv如果收到0长度报文，表明对方已经断开连接，因此我们使用send的时候，不能发送0长度报文

只要一方关闭，另外一方就会收到0长度报文

知识点3【TCP服务器编程】

我们先把服务器的过程形象化：

1、socket() 买手机

2、bind() 买电话卡

3、listen() 打开声音

4、accept() 接听

1、作为服务器的条件

1、需要为服务器绑定一个固定的端口、IP（连接作用）

2、让操作系统知道这是一个服务器，而不是客户端

（使用listen函数让服务器具备监听功能，使套接字由主动变被动）

3、等待客户端的连接到来，使用accept提取到来的客户端

2、listen监听函数

   #include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);

功能介绍

将套接字设为被动监听模式，等待客户端连接

参数

sockfd：套接字

backlog：连接队列的最大长度

返回值

成功：0

失败：-1

函数功能详解（底层）

1、将sockfd由主动变被动，并且对sockfd进行监听客户端连接的到来

2、backlog是连接队列的大小，表示客户端的最大个数

连接队列大小分析：

1、在listen后，在TCP服务器中，套接字改称为监听套接字，所有客户端想要连接，就需要向这个客户端发送连接请求

2、客户端发出连接请求（connect），TCP的server就会创建一个连接队列

3、连接队列又会分为两部分，但是总大小是上面对应的个数

（1）完成连接——三次握手之后

（2）未完成连接——三次握手完成之前

图形解析

这里说一个早期的一个攻击手段：SYN洪流攻击

就是一直发送低于三次握手信号（半成品），这样的信号全部在连接队列的未完成连接中存储，服务器也无法处理，当达到连接队列的最大值后，正常连接反而进不去连接队列。

这里

我们写监听函数，并阻塞，查看其网络状态

netstate -anp | grep a.out

可以看到此时处于监听状态（想系统说明此时是一个服务器）

3、accept提取客户端的连接（阻塞）

   #include <sys/socket.h>int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address,socklen_t *restrict address_len);

函数功能

accept只能从连接队列中处于完成连接部分中提取连接

将提取到的该客户端的信息存到addr中

将提取到的该客户端从连接队列中删除

参数

sockfd：监听套接字

addr：存放的是客户端的地址信息

addrlen：地址结构体的长度的地址

返回值

成功：返回一个已连接套接字，这个套接字才代表服务器和该客户端的连接端点（真正和客户端的连接）

解释：如果服务器想要和该客户端通信，就需要向这个已连接套接字中读写

失败：返回-1

注意

调用一次，只能提取一个客户端对应的连接，如果连接队列没有客户端连接，将阻塞

因为是从连接队列中提取的原因，遵循先进先出的原则

验证一下：通过两个客户端，都连接我们写的服务器，会发现只有一个能发送

TCP服务器代码演示

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//创建监听套接字int fd_sock_lis = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(fd_sock_lis < 0){perror("socket_lis");_exit(-1);}//绑定固定端口  这里我们设置为8000struct sockaddr_in addr_bind;bzero(&addr_bind,sizeof(addr_bind));addr_bind.sin_family = AF_INET;addr_bind.sin_port = htons(8000);addr_bind.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);int ret_bind = bind(fd_sock_lis,(struct sockaddr *)&addr_bind,sizeof(addr_bind));if(ret_bind < 0){perror("bind");_exit(-1);}//监听 参数：监听套接字，连接队列的个数int ret_listen = listen(fd_sock_lis,10);if(ret_listen == -1){perror("listen");_exit(-1);} //提取客户端连接，已连接套接字的创建,已连接套接字理解为通信端口的一端//服务器通过操作这个已连接套接字与客户端进行联系struct sockaddr_in addr_accept;bzero(&addr_accept,sizeof(addr_accept));int len_accept = sizeof(addr_accept);int fd_sock_connect = accept(fd_sock_lis,(struct sockaddr *)&addr_accept,&len_accept);if(fd_sock_connect < 0){perror("accept");_exit(-1); }//接收数据，从已连接套接字中接收char arr_recv[256] = "";recv(fd_sock_connect,arr_recv,sizeof(arr_recv),0);//处理 客户端端口 的信息int port_client = ntohs(addr_accept.sin_port);char ip_client[16] = "";inet_ntop(AF_INET,&addr_accept.sin_addr.s_addr,ip_client,sizeof(ip_client));//遍历接收到的信息printf("从IP：%s的%d端口，获取的数据是%s\\n",ip_client,port_client,arr_recv);//发送应答send(fd_sock_connect,"ok",sizeof("ok"),0);//关闭 所有套接字close(fd_sock_connect);close(fd_sock_lis);return 0;
}

代码运行结果

知识点4【close关闭套接字】

当客户端用完后会调用close套接字，服务器也要关闭套接字（监听套接字，已连接套接字）

1、作为客户端

close（套接字），断开当前的连接，导致服务器收到0长度报文

2、作为服务器

close（监听套接字），该服务器不能监听新的连接的到来，但是不影响已连接客户端的通信

close（已连接套接字），只是断开当前客户端的连接，不会影响监听套接字（服务器可以继续监听新的连接的到来）

这里我们形象化一下

形象化理解

媒婆监听套接字

小帅客户端套接字

小美已连接套接字

小帅找媒婆介绍对象，媒婆有个名单，把小美介绍给了小帅，小美和小帅分还是合，最后不会影响媒婆招揽其他生意

如果媒婆不想干媒婆这一行了，去转学嵌入式了，也不会影响小帅和小美的关系

3、下面内容前提

握手，挥手都涉及到底层，我们需要用抓包的操作来了解这一过程，我这里用的抓包工具是 wireshark

这是我使用的抓包工具获取的上面的发送过程

由于我的图不太好识别

我用我老师当时的抓包图片（很标准的三次握手，数据通信，四次挥手抓包过程）

我们分为三个流程 1、三次握手，2、数据通信，3、四次挥手这里大家先看一下总的流程图，流程图是当时老师画的，我感觉很牛，这里直接使用了

知识点4【三次握手】（重要背！！）

当客户端调用connect连接服务器，底层会完成三次握手信号，此时客户端阻塞，当三次握手信号完成，connect才会解除阻塞往下执行

三次握手的发起者 是客户端

1、TCP的头部

这里先介绍一下 TCP的头部

1、SYN：置1，表示报文是 连接请求报文

2、FIN：置1，表示报文是 关闭请求报文

3、ACK：置1，表示报文是回应（应答）报文

4、URG：置1，表明紧急指针字段有效，告诉操作系统此报文内有紧急数据，请尽快传送

5、PUSH：置1：推送报文

6、RST：置1：复位连接

注意

序列号：seq，当前报文的编号。

确认序号：当前报文希望接下来对方发送的报文编号

ack（确认序号）数据分析

1、当无数据时，ack = 对方原编号 + 1

2、当有数据时，ack = 对房源编号 + 接收到数据长度

2、三次握手

分析过程

1、当客户端调用connect后，底层发送SYN连接请求

此时seq = 0，ack = 0

2、服务器收到客户端发出的SYN请求，服务器给客户端回应SYN和ACK应答

此时seq = 1，ack = 1（无数据）

3、客户端接收到服务器发送的SYN请求后，向服务器发送ACK应答

此时seq = 1，ack = 1（原本服务器seq = 0，无数据+1后为1）

形象化理解

小帅给小美表白

小帅：我喜欢你（SYN）

小美：我知道（ACK），我也喜欢你（SYN）

小帅：其实我也知道（ACK）

3、分析通信过程

这里客户端发送的时”hello ack“，服务器应答我们设置的时”ok”

现在我们分析一下（每个红线是一个步骤）

分析过程

1、客户端和服务器经过三次握手后已经完成连接（连接列表），客户端向服务器发送”hello ack“

这里有一个技巧：连续的线都是一个方向时，线对应的seq和ack是一样的

此时seq = 1，ack = 1，len = 9

2、服务器收到数据后，及其长度，发出ACK应答

此时seq = 1（与上面的ack相对应），ack = 10（ 1+len（9））

3、服务器发送数据“ok”后，客户端接收

此时seq = 1，ack = 10（线连续且方向一样），len = 2

4、客户端接收数据，发出ACK应答

此时seq = 10，ack = 3

确认序号的作用

1、当发送端数据时500位的时候，接收时仅收到了256位

此时len = 500，但实际发送的时候接受到的长度的时256

这时，ack的值位对方原序号码 + 256

接收端收到后，用ack - 原序号吗算出接收数据长度，发现与发送数据长度不同，底层会处理后，继续发送没有接收的数据。

2、检验是否发生错误传输，这里不多介绍

4、四次挥手

这里补充一个概念：FIN标志位置1的前提是调用close函数

服务器和客户端都可以先退出，一般都是客户端先退出

分析过程

1、当客户端调用close（套接字）函数，触发底层发出FIN断开连接的请求。

2、服务器收到FIN关闭请求，做出ACK应答（服务器进入CLOSE_WAIT状态）。

CLOSE_WAIT状态是指对方套接字已经关闭，等待服务器已连接套接字关闭，即调用close（对应已连接套接字）

3、服务器应用层调用close函数后，触发底层发送FIN。

4、客户端收到FIN请求，回应ACK。

以上内容依次是四次挥手

下面我想补充说明一些知识点

补充（重要）

1、细心的同学已经发现了，在第三次回收后，客户端的状态时TIME_WAIT，它在等上面？

第四次回收涉及到服务器到CLOSE的关闭状态的转换，因此需要保证其正确执行

TIME_WAIT等待是有时间时间限制的，在规定时间内，发现服务器没有重发FIN（即二次挥手），就意味着，ACK（第四次挥手）已经成功被服务器收到，客户端也会变为CLOSE状态。

如果在规定时间内，客户端又收到了（第三次挥手），表明出现了问题，此时客户端会再次四次挥手，然后重复等待。

2、补充问题（技术面常问问题 ）

（1）为什么要四次挥手，而不能向三次握手一样，在第二次握手中一起将ACK和SYN一起发送给客户端？

因为第三次挥手的触发条件是，等待服务器调用close（已连接套接字），有一个等待的过程，因此不能和ACK一起发送。

（2）客户端都已经调用了close为什么还能执行四次挥手的操作？

因为close只是关闭客户端中的套接字，此时是半关闭状态，仅关闭这个套接字应用层的数据的收发，而将FIN，ACK这些标志位置1的操作，是在底层实现的，并不是close负责的，因此可以执行四次挥手的操作。

5、状态转换

在图中大家可以看到有很多状态，下面介绍一下这些状态都是什么

下面是状态转换流程图

介绍

红色是服务器的状态转换图，蓝色是客户端的状态转换图

结束

代码重在练习！

今天的分享就到此结束了，希望对你有所帮助，如果你喜欢我的分享，请点赞收藏夹关注，谢谢大家！！！

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1、TCP的概述

知识点2【TCP客户端编程】

1、创建TCP套接字

2、connect函数连接服务器

注意

3、send发送消息

注意

4、recv接收数据（默认阻塞）

注意

知识点3【TCP服务器编程】

1、作为服务器的条件

2、listen监听函数

函数功能详解（底层）

3、accept提取客户端的连接（阻塞）

TCP服务器代码演示

代码运行结果

知识点4【close关闭套接字】

1、作为客户端

2、作为服务器

形象化理解

3、下面内容前提

知识点4【三次握手】（重要 背！！）

1、TCP的头部

注意

ack（确认序号）数据分析

2、三次握手

分析过程

3、分析通信过程

分析过程

确认序号的作用

4、四次挥手

分析过程

补充（重要）

5、状态转换

介绍

结束

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