TCP通信机制详解：三次握手、四次挥手与滑动窗口

TCP通信机制详解：三次握手、四次挥手与滑动窗口

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接，并使用滑动窗口机制进行流量控制。本文将详细介绍TCP的三次握手、四次挥手以及滑动窗口机制，并通过C语言代码实现server和client的通信过程。

1. TCP三次握手

TCP在建立连接时需要进行三次握手，确保双方都能正确接收和发送数据。

• 第一次握手：客户端发送SYN标志位，附带一个随机序号（例如100），可以携带数据（例如10字节）。

• 第二次握手：服务端收到SYN后，发送ACK确认序号（客户端序号+1）和自己的SYN请求。

• 第三次握手：客户端收到服务端的ACK后，发送最终的ACK确认，完成连接建立。

2. TCP四次挥手

断开连接时需要进行四次挥手，确保双方都能正确关闭连接。

• 第一次挥手：任意一端发送FIN标志位，附带序号。

• 第二次挥手：另一端发送ACK确认。

• 第三次挥手：另一端发送FIN标志位。

• 第四次挥手：第一端发送ACK确认，完成连接关闭。

3. TCP连接与数据传输过程

TCP连接的完整过程包括三次握手、数据传输和四次挥手。在数据传输阶段，双方会通过ACK确认数据接收情况。

4. TCP滑动窗口机制

滑动窗口机制用于流量控制，确保发送方不会发送过多数据导致接收方缓冲区溢出。

• 发送端速度快，接收端速度慢：发送端会根据接收端的滑动窗口大小发送数据，当接收端处理完部分数据后，会更新窗口大小并通知发送端。

• 重传机制：如果数据传输失败，TCP会进行重传，确保数据的可靠传输。

5. server服务端与client客户端编程实现

以下是server和client的C语言代码实现：

server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(lfd == -1) {
        perror("socket err");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8765);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind err");
        exit(1);
    }

    ret = listen(lfd, 128);
    if(ret == -1) {
        perror("listen err");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
    if(cfd == -1) {
        perror("accept err");
        exit(1);
    }

    char ipbuf[64];
    printf("client ip: %s, port: %d\n",
           inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)),
           ntohs(client_addr.sin_port));

    while(1) {
        char buf[1024] = {0};
        int len = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        if(len < 0) {
            perror("read err");
            break;
        } else if(len == 0) {
            printf("client disconnect ...\n");
            break;
        } else {
            printf("read buf : %s\n", buf);
            for(int i = 0; i < len; i++) {
                buf[i] = toupper(buf[i]);
            }
            printf("toupper read buf: %s\n", buf);
            write(cfd, buf, strlen(buf) + 1);
        }
    }
    close(lfd);
    close(cfd);
    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    if(argc < 2) {
        printf("err:./exe port\n");
        return -1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);

    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket err");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr.s_addr);

    int ret = connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if(ret == -1) {
        perror("connect err");
        exit(1);
    }

    while(1) {
        char buf[512];
        printf("please input string: \n");
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        write(fd, buf, strlen(buf));

        int len = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if(len < 0) {
            perror("read err");
            exit(1);
        } else if(len == 0) {
            printf("server close connect ...\n");
            break;
        } else {
            printf("read buf: %s, buflen: %d\n", buf, len);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

本文详细介绍了TCP通信机制的核心内容，包括三次握手、四次挥手和滑动窗口机制，并通过代码示例帮助读者理解TCP通信的实现过程。对于从事网络通信相关工作的技术人员来说，本文具有较高的参考价值。