TCP从原理到代码实现【Go语言】

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TCP从原理到代码实现【Go语言】

本文正在参与 “网络协议必知必会”征文活动

基于net包的小应用

完整代码已经上传到github GitHub-TCP

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TCP介绍

特点

  1. 面向连接的运输层协议。在应用程序在使用TCP协议之前,必须先建立TCP连接。在传送数据完毕后,必须释放已经建立的TCP连接。

  2. 每一条TCP连接只能有两个端点,每一条TCP连接只能是点对点的。

  3. TCP提供可靠交付的服务。 通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,并且按序到达。

  4. TCP提供全双工通信。 TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

  5. 面向字节流。 TCP的流是指流入到进程或从进程流出的字节序列。虽然应用程序和TCP的交互式一次一个数据块,但TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流。

图解

  • TCP结构

image.png

  • TCP连接

TCP 连接建立,三次握手

传输控制块TCB:存储了每一个连接中的一些重要信息。比如TCP连接表,指向发送和接收缓冲的指针,指向重传队列的指针,当前的发送和接收序列等等。

假设主机A是TCP客户程序,B是TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都是处于CLOSED关闭状态,客户端A打开链接,服务器端被打开链接。一开始B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,准备接受客户进程的链接请求,然后服务器进程就处于LISTEN收听状态,等待A的连接请求。

  1. 然后A的进程首先创建传输控制模块TCB。向B发出连接请求报文段,这是首部当中的同步位SYN=1,同时选择一个初始序号seq=x。TCP规定,SYN报文段(即SYN=1的报文段)不能写数据,但要消耗掉一个序号。这时候A就进入了同步已发送的状态。

  2. B收到连接请求报文段后,如果同意建立连接,则向A发送确认,在确认报文段中把SYN位和AVK位置都置为1,确认号为ack+1,同时也为自己选择一个初始序号y。同样的这个报文段也是不能写数据的,但同时要消耗掉一个序号。这时B进入了同步收到状态。

  3. A收到B的确认之后,还要向B给出确认。确认报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而自己的seq=x+1。ACK报文段是可以携带数据的,但如果不携带数据则不消耗序号,在这种情况下,下一个数据报文段的序号仍为seq=x+1

这时候TCP已经建立了。A进行入了已经建立连接的阶段状态。B收到确认后也进入了连接状态。

image.png

TCP 连接释放,四次挥手

数据传输完毕之后,通信的双方都可释放连接。现在A和B都处于ESTABLISHED状态。

  1. A的应用进程先向TCP发出连接释放报文段,并停止再发送数据,主动关闭TCP连接。A把链接释放报文段首部的终止控制位FIN置为1,其序号为seq=u,它等于前面以传送过的数据的最后一个字节的序号加1.这时候A进入了FIN-WAIT-1(终止等待1)状态,等待B的确认。

注意:TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,他也消耗掉一个序号!!

  1. B 收到链接释放报文段后即发出确认,确认号是ack = u + 1,而这个报文段自己的序号是v,等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1.然后B就进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程,因而从A到B这个方向的链接就释放了,这时的TCP链接处于半关闭状态,即A已经没有数据要发送了,但B若发送数据,A仍要接收,也就是说,从B到A这个方向的连接并未关闭。这个状态可能要维持一段时间。
  2. A收到来自B的确认后,就进入了FIN-WAIT-2(终止等待2)状态满等待B发出的连接释放报文段。若B已经没有要向A发送的数据,其应用进程就通知TCP释放连接,这时B发出的连接释放报文段必须使FIN = 1,现假定B的序号为w(在半关闭状态B可能又发送了一些数据)。B还必须重复上次已发送过的确认号ack = u + 1.这时B就进入LAST-ACK(最后确认)状态,等待A的确认。
  3. A在收到了B的链接释放报文段后,必须对此发出确认。在确认报文段中把ACK置1,确认号ack=w+1,而自己的序号是seq=u+1(根据TCP标准,前面发送过的FIN报文段要消耗一个序号)。然后进入到TIME-WAIT(时间等待)状态。注意: 现在TCP连接还没有还没有释放掉。必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL后,A才能进入CLOSED状态。

时间MSL叫做最长报文段寿命,RFC793建议设在两分钟。但是在现在工程来看两分钟太长了,所以TCP允许不同的实现可以根据具体情况使用更小的MSL值。

代码实现

首先创建两个目录,一个是client客户端,另一个是server服务端。 在这里插入图片描述

1. 连接

1.1 服务端

  • 监听连接

net 中提供了Listen方法,可以让服务端进行端口监听

ADDRESS := "127.0.0.1:5000"
listener,err := net.Listen("tcp",ADDRESS)
if err != nil {
	fmt.Printf("start tcp server %s failed ,err : %s ",listener,err)
	return
}
defer listener.Close()
复制代码

1.2 客户端

  • 建立连接

net中提供了Dail方法,让客户端连接服务端

ADDRESS := "127.0.0.1:5000"
conn,err := net.Dial("tcp",ADDRESS) // 主动与服务端建立连接
if err != nil {
	fmt.Printf("dial %s failed; err :%s",ADDRESS,err)
	return
}
复制代码

2. 通信

2.1 服务端

  • 接受信息

可以通过.Read来读取传输的数据。

	var data [1024]byte
	var msg string
	reader := bufio.NewReader(os.Stdin)
	for {   // 服务端要时刻等待传送过来的数据,所以要用for循环
		//接受信息
		n,err := conn.Read(data[:])
		if err == io.EOF{
			break
		}
		if err != nil {
			fmt.Printf("read from conn failed,err:%s",err)
			return
		}
		fmt.Println("Access Info : ",string(data[:n]))
	}
	defer conn.Close()
复制代码

2.2 客户端

  • 发送信息

同样可以通过.Write在传输连接中传输数据。

	for{ // 让客户的能一直发送信息,所以就需要一个for循环,保持连接
		fmt.Print("请输入:")
		msg,_ = reader.ReadString('\n')
		msg = strings.TrimSpace(msg)
		if msg == "exit" {
			break
		}
		_, _ = conn.Write([]byte(msg))
	}
复制代码

3. 回复

当服务端收到信息之后,应该返回信息给客户端。表示已经收到了数据。

3.1 服务端

服务端回复信息

	//回复信息
	fmt.Print("回复信息:")
	msg,_ = reader.ReadString('\n')
	msg = strings.TrimSpace(msg)
	if msg == "exit" {
		break
	}
	_ ,_ = conn.Write([]byte(msg))
复制代码

3.2 客户端

客户端收到信息

	// 接受信息
	n,err:=conn.Read(data[:])
	if err == io.EOF {
		break
	}
	if err != nil {
		fmt.Println("read from conn failed, err :",err)
		return
	}
	fmt.Println("收到的回复:",string(data[:n]))
复制代码
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