一文讲透TCP三次握手到底怎么实现的

1 服务端准备连接 1.1 创建套接字

创建一个可用的套接字：

int socket(int domain, int type, int protocol) 

• domain PF_INET、PF_INET6以及PF_LOCAL等，即套接字类型
• type
  • SOCK_STREAM 字节流，对应TCP；
  • SOCK_DGRAM 数据报，对应UDP；
  • SOCK_RAW 原始套接字。
• protocol 原本用来指定通信协议，但现在基本废弃。因为通过前面两个参数已经指定协议。所以protocol一般写成0即可。

1.2 bind

创建的socket若需被使用，就得调bind函数，把socket和socket地址绑定。

bind(int fd, sockaddr * addr, socklen_t len) 

• sockaddr * addr 通用地址格式，传入的参数可能是IPv4、IPv6或本地socket格式。
• len 传入的地址长度，bind函数会根据该字段判断传入的参数addr怎么解析。

可以把bind函数理解成这样：

bind(int fd, void * addr, socklen_t len) 

不过BSD设计socket大约1982年，C还没void *语法，为解决该问题，BSD设计者们创造性设计了通用地址格式，作为支持bind和accept等这些函数的参数。

对于使用者，每次需将IPv4、IPv6或本地socket格式转化为通用socket格式，就像下面的IPv4 socket地址格式：

struct sockaddr_in name; bind (sock, (struct sockaddr *) &name, sizeof (name) 

对实现者，可根据该地址结构的前两个字节判断出是哪种地址。为处理可变长结构，需要读取函数里的len参数，即可解析和判断地址。

设置bind时，对地址和端口可以有多种处理方式。 可将地址设置成本机IP地址，告诉os内核，仅处理目标IP是本机IP地址的IP包。

但写代码时不知道将会被部署到啥机器，通配地址解决该问题，告诉os内核只要目标地址是咱们的都行。比如一台机器有两块网卡，IP地址分别是202.61.22.55和192.168.1.11，那么向这两个IP请求的请求包都会被我们的程序处理。

2 配置通配地址

• IPv4，使用INADDR_ANY
• IPv6，使用IN6ADDR_ANY

struct sockaddr_in name; /* IPV4通配地址 */ name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); 

3 端口

如果把端口设置成0，就相当于把端口的选择权交给内核，内核会根据算法选择一个空闲端口，完成套接字绑定。这在服务器端不常使用。

一般服务器端的程序一定要绑定到一个知名端口。服务器端的IP地址和端口数据，相当于打电话拨号时需要知道的对方号码，如果没有电话号码，就没有办法和对方建立连接。

初始化IPv4 TCP 套接字的案例：

#include  #include  #include  #include  int make_socket (uint16_t port) { int sock; struct sockaddr_in name; /* 创建字节流类型的IPV4 socket. */ sock = socket (PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sock < 0) { perror ("socket"); exit (EXIT_FAILURE); } /* 绑定到port和ip. */ name.sin_family = AF_INET; /* IPV4 */ name.sin_port = htons (port); /* 指定端口 */ name.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); /* 通配地址 */ /* 把IPV4地址转换成通用地址格式，同时传递长度 */ if (bind (sock, (struct sockaddr *) &name, sizeof (name)) < 0) { perror ("bind"); exit (EXIT_FAILURE); } return sock } 

listen：接上电话线，一切准备就绪。

bind函数只是让socket和地址关联。如果要让别人打通电话，还需要我们把电话设备接入电话线，让服务器真正处于可接听状态，这就需要listen函数。

初始化创建的socket，之后会主动发起请求（调用connect函数）。通过listen函数，可将原来的"主动"socket转换为"被动"socket，告诉os内核：我这个socket是用来等待用户请求。os内核会为此做好接收用户请求的一切准备，如完成连接队列。

listen函数原型

int listen (int socketfd, int backlog) 

• socketfd socket描述符
• backlog 未完成连接队列的大小，即可以接收的并发数目。越大，并发数理论上越大。但参数过大也会占用过多系统资源，所以Linux并不允许对这个参数进行改变。

4 accept

当客户端的连接请求到达时，服务器端应答成功，连接建立，这时内核需把该事件通知到应用程序，让应用程序感知到这个连接。

accept这个函数的作用就是连接建立后，内核和应用程序之间的桥梁。

4.1 原型

int accept(int listensockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen) 

• listensockfd 套接字，通过bind，listen一系列操作而得到的套接字。返回值有两部分，cliadd是通过指针方式获取的客户端的地址，addrlen地址的大小 函数的返回值，代表与客户端的连接。

两个socket描述字：

• 输入参数，监听socket描述字listensockfd
• 返回的已连接socket描述字

为何将两个套接字分开

网络程序需并发处理，不可能一个应用程序运行后只能服务一个客户。所以监听socket一直都存在，服务成千上万的客户，直到这个监听socket关闭。

一旦一个客户和服务器连接成功，完成TCP三次握手，os内核就为该客户生成一个已连接套接字，让应用服务器使用该已连接套接字和客户进行通信。若应用服务器完成对该客户的服务，如一次网购下单，一次付款成功，那么关闭的就是已连接套接字，就完成TCP连接释放。

这时释放的只是这一个客户连接，其它被服务的客户连接可能还存在。最重要的是，监听套接字一直都处于“监听”状态，等待新的客户请求到达并服务。

5 客户端发起连接的过程

第一步：建立一个套接字，不一样的是，客户端需调用connect发起请求。

5.1 connect

客户端和服务器端的连接建立，是通过connect函数完成的。

connect的构建函数

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen) 

• sockfd 连接套接字，通过前面讲述的socket函数创建
• servaddr、addrlen 指向套接字地址结构的指针和该结构的大小。 套接字地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号。

客户在调用函数connect前，不必非得调用bind函数，若需要，内核会确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口。

若是TCP套接字，则调用connect函数将激发TCP三次握手，而且仅在连接建立成功或出错时才返回。其中出错返回可能有如下 case：

• 三次握手无法建立，客户端发出的SYN包没有任何响应，于是返回TIMEOUT错误。这种情况比较常见的原因是对应的服务端IP写错
• 客户端收到RST（复位）回答，这时候客户端会立即返回CONNECTION REFUSED错误。这种情况比较常见于客户端发送连接请求时的请求端口写错，因为RST是TCP在发生错误时发送的一种TCP分节

产生RST的三个条件：

• 目的地为某端口的SYN到达，然而该端口上没有正在监听的服务器（如前所述）
• TCP想取消一个已有连接
• TCP接收到一个根本不存在的连接上的分节

客户发出的SYN包在网络上引起"destination unreachable"，即目的不可达错误。这种情况比较常见的原因是客户端和服务器端路由不通。 根据不同的返回值，我们可以做进一步的排查。

这里的网络编程模型都是阻塞式，即调用发起后不会直接返回，由os内核处理后，才会返回。 相对的，还有一种叫做非阻塞式。

6 TCP三次握手

服务器端通过socket，bind和listen完成被动套接字的准备工作，被动，即等别人来连接，然后调用accept，就会阻塞在这里，等待客户端的连接来临。

客户端调用socket和connect后，也会阻塞。接下来由os内核网络协议栈在工作。

• 客户端的协议栈向服务器端发SYN包，并告诉服务器端当前发送序列号j，客户端进入SYNC_SENT状态
• 服务器端的协议栈收到该包后，和客户端进行ACK应答，应答值为j+1，表示对SYN包j的确认，同时服务器也发个SYN包，告诉客户端当前我的发送序列号为k，服务器端进入SYNC_RCVD状态
• 客户端协议栈收到ACK后，使应用程序从connect调用返回，表示客户端到服务器端的单向连接建立成功，客户端状态为ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务器端的SYN包进行应答，应答数据为k+1
• 应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得accept阻塞调用返回。这时服务器端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入ESTABLISHED状态

TCP三次握手建立连接的过程中，内核通常会为每一个LISTEN状态的Socket维护两个队列：

• SYN队列（半连接队列）：这些连接已经接到客户端SYN
• ACCEPT队列（全连接队列）：这些连接已经接到客户端的ACK，完成了三次握手，等待被accept系统调用取走

比如 Tomcat 的Acceptor负责从ACCEPT队列中取出连接，当Acceptor处理不过来时，连接就堆积在ACCEPT队列中，这个队列长度也可以通过参数设置。

7 总结

• 服务器端通过创建socket，bind，listen完成初始化，通过accept完成连接的建立
• 客户端通过创建socket，connect发起连接建立请求