传输TCP/IP数据

前言

上一章讲到了委托协议栈发送消息我们知道IP地址之后，就可以委托操作系统内部的协栈上向这个目标IP地址，也就是我们要访问的web服务器发送消息了。

收发数据的操作大致为以下几点

1. 创建套接字（创建套接字阶段）
2. 将管道连接到服务器端的套接字上（连接阶段）
3. 收发数据（通信阶段）
4. 断开管道并删除套接字（断开阶段）

接下来，将会详细的讲解这几个阶段

创建套接字

协议栈内部结构

套接字表示管道两边的接口

这张图中的上下关系是有一定规则的，上面的部分会向下面的部分委派工作，下面的部分接受委派的工作并实际执行。

下面一半是由IP协议控制网络包收包操作的部分。在互联网上传输数据时，数据会被分成一个一个的网络包，而将网络包发送给通信对象的操作就是由IP来负责的。

浏览器、邮件等一般应用程序收发数据使用TCP。
DNS查询等收发较短的控制数据时用udp。

套接字实体

套接字的实体就是通信控制信息。

协议栈内部有一块用于存放控制信息的内存空间，记录了通信操作的控制信息，比如通信对象的IP地址、端口号、通信操作的进行状态等。

我们要清楚，套接字只是我们提出的一个概念，并非实体，他其实就是这些控制信息。我们需要委托协议栈执行操作，那么协议栈需要知道对象的IP地址和端口，发送数据后协议栈需要等待返回消息，但有可能数据丢失，等待不到响应，这样的情况下我们不能一直等下去。或者说，需要有一个定时器一样的东西，那么协议栈必须要知道发送数据过了多久。为此，套接字必须记录是否已经收到响应，以及发送数据后过去的时间。

协议栈首先会分配用于存放一个套接字所需的内存空间。在套接字的内存空间中写入表示初始状态的控制信息。到这里，创建套接字的操作就完成了。

连接服务器

连接的含义

套接字刚刚创建完成的时候，里面并没有存放任何数据，也不知道通信的对象是谁。在这个状态下，即使应用程序要发送数据，协议站也不知道数据应该发送给谁。因此，我们需要把服务器的IP地址和端口号等信息告知协议站。

那么服务器这边又是什么样的情况呢？服务器上也会创建套节字，但服务器上的协议站和客户端一样，只创建套节字是不知道应该和谁进行沟通的。于是，我们需要让客户端向服务器告知必要的信息，比如我想和你开始通信，我的IP地址是XXX,端口号是XXX。可见，客户端向服务器传达开始通信的请求也是连接操作的目的之一。

负责保存控制信息的头部

通信操作中使用的控制信息分为两类。

• 客户端和服务器相互联络时交换的控制信息（TCP头部）。
• 以太网和ip协议的控制信息。

链接的实际过程（3次握手）

服务器的IP地址和端口号，这些信息会传递给协议站中的TCP模块，然后TCP模块会与该IP地址对应的对象，也就是与服务器的TCP模块交换控制信息。这一交换过程包括下面几个步骤。

客户端先创建一个包，表示开始数据搜发操作的控制信息的头部。头部包含很多字段，这里要关注的重点是发送方和接收方的端口号。到这里，客户端的套接字就准确找到了服务器的套接字，也就是搞清楚了我应该连接哪个套接字。然后我们将头部中的控制位的syn比特设置为一，大家可以认为它表示连接。

当TCP头部创建好以后，接下来TCP模块会将信息传递给IP模块，并委托他进行发送。IP模块执行网络包发送操作后，网络包就会通过网络到达服务器，然后服务器上的IP模块会接收到的数据传递给TCP模块。服务器的TCP模块根据TCP头部中的信息找到端口号对应的套接字，也就是说，处于等待连接状态的套接字中找到与TCP头部中记录的端口号相同的接字就可以了。当找到对应的套接字之后，套接词中会写入相应的信息，并将状态改为正在连接。上述操作完成后，服务器的TCP模块会返回响应，这个过程和客户端一样。此外，在返回响应时还需要将a控制位设置为一，这表示已经接收到相应的网络包。接下来，服务器TCP模块会将TCP头部传递给IP模块，并委托IP模块向客户端返回响应。

然后网络包就会返回到客户端，通过IP模块到达TCP模块，并通过TCP头部的信息确认连接服务器的操作是否成功。如果syn为一，则表示连接成功。这时会向套接字之中写入服务器的IP地址、端口号等信息，同时会将状态改为连接完毕。到这里，客户端的操作就已经完成。

但其实还剩最后一个步骤，刚才服务器返回响应时，将ACK比特设为一，相应的客户端也需要将ACK比特设置为一，并发回服务器，告诉服务器刚才的响应包已经收到，当这个服务器收到这个返回包之后，连接操作才算全部完成。

收发数据

从服务器断开并删除套接字（四次挥手）

这里我们以服务器一方发起断开过程为例来进行讲解。首先，服务器一般的应用程序会调用socket库中的close程序，然后服务器的协议栈会生成包含断开信息的TCP头部，具体来说就是将控制位中的fin比特设置为一。接下来，协议站会委托IP模块向客户端发送数据，同时服务器的套接字中也会记录下断开操作的相关信息。

接下来轮到客户端了，当收到服务器发来的fin为一的TCP头部时，客户端的协议上会将自己的套接字标记为进入断开操作状态。

然后，为了告知服务器已收到fin为1的包，客户端会箱会向服务器发返回一个ack号。这些操作完成后，协议站就可以等待应用程序来取数据了。

过了一会儿，应用程序就会调用read来读取数据，这时协议栈不会向应用程序传递数据，而是会告知应用程序来自服务器的数据已经全部收到了，客户端应用程序会调用close来结束数据收发操作，这时客户端的协议栈也会和服务器一样生成一个fin比特为1的TCP，然后委托IP模块发给服务器。一段时间之后，服务器就会返回ACK号，到这里，客户端和服务器的通信就全部结束了。

删除套接字

和服务器的通信结束之后，用来通信的套接字就不会在使用了，这时候我们就可以删除这个套接字了。不过套接字并不会立即删除，而是会等待一段时间之后再被删除，等待这段时间是为了防止误操作。