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基于socket网络编程和tcp/ip协议栈,讲讲从客户端send()开始,到服务端recv()结束的过程

在基于 socket 的网络编程中,TCP/IP 协议栈的工作流程是复杂而精细的。以下是从客户端调用 send() 开始,到服务端调用 recv() 结束的详细过程:

1. 客户端准备

  • 创建 Socket: 客户端首先通过系统调用创建一个 socket,指定使用 TCP 协议。
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  • 连接到服务器: 使用 connect() 函数连接到远程服务器。这一步将会经过三次握手(three-way handshake),建立 TCP 连接。

2. 三次握手(Three-Way Handshake)

  • SYN: 客户端发送一个 SYN (同步) 数据包到服务器,请求建立连接。

  • SYN-ACK: 服务器收到 SYN 后,回应一个 SYN-ACK 数据包,表示同意建立连接,同时向客户端确认其接收到了请求。

  • ACK: 客户端收到这个 SYN-ACK 后,再发送一个 ACK 数据包给服务器,表示已收到确认。至此,连接建立完成。

3. 客户端发送数据

  • send() 调用: 一旦连接建立成功,客户端可以使用 send() 函数发送数据到服务端。例如:
  const char *msg = "Hello, Server!";
  send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);

TCP 数据传输过程

当客户端调用 send() 时,数据并不是直接发往目标,而是先经过以下步骤:

  1. 缓冲区管理:数据被放入客户端的发送缓冲区。
  2. 分段(Segmentation):TCP 将大块数据划分为多个小段,根据最大报文段大小(MSS)。
  3. 封装与排队:每个段都被封装在 TCP 报文中,然后再被封装在 IP 报文中,并最终排队等待通过网络接口发送。
  4. IP层处理:IP 层将 TCP 报文转变为 IP 数据报,并负责路由和寻址等操作。
  5. 物理层传输:最终,通过物理层将数据以电信号形式传输到目标机器。

4. 服务端接收数据

服务端运行着一个监听 socket(通过 listen()accept() 系列函数来接受来自客户端的连接)。

服务端的数据接收步骤:

  1. 在服务端的循环中,一旦有新的连接进来:

    • 使用 accept() 接受来自客户端的请求,这一步会进行另一次三次握手来完成TCP连接。
  2. 服务端进入接收阶段:

   char buffer[1024];
   recv(newsockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
  1. 当 server 调用 recv() 时,其具体操作包括:
    • 从内核的接收缓冲区中读取已经接收到的数据。如果没有可读的数据,它可能会阻塞(取决于设置)。
    • 如果有数据则返回给应用层,并从缓冲区中移除这些数据。

总结

整个过程可以简要概括为以下几个步骤:

  1. 客户端创建 socket 并发起连接请求(三次握手)。
  2. 成功建立 TCP 连线后,客户端通过调用 send() 向服务端发送消息。
  3. 消息在传输过程中,由 TCP 分段并进行必要的错误校验和重传等机制确保可靠性。
  4. 服务端通过调用 recv() 接收并处理来自客户端的数据。

这种设计使得TCP协议能够提供一种可靠、顺序和无差错的数据传输方式,即使在不稳定的网络环境下也能保证通信质量。


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