Transmission Control Protocol,缩写为TCP
TCP是传输控制协议;是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC 793定义。
TCP的机制
- 三次握手、四次挥手
- 具有校验机制、可靠、数据传输稳定
TCP核心API
- socket():创建一个Socket
- bind():绑定一个Socket到本地地址和端口上
- connect():连接到远程套接字
- accept():接受一个新的连接
- write():把数据写入到Socket输出流
- read():从Socket输入流读取数据
客户端连接
服务器端连接
TCP连接可靠性
- 序列号
seq
:占4个字节,用来标记数据段的顺序,TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号,第一个字节的编号由本地随机产生;给字节编上序号后,就给每一个报文段指派一个序号;序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。 - 确认号
ack
:占4个字节,期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号;序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号;而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号;因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。 - 确认
ACK
:占1位,仅当ACK=1时,确认号字段才有效。ACK=0时,确认号无效 - 同步
SYN
:连接建立时用于同步序号。当SYN=1,ACK=0时表示:这是一个连接请求报文段。若同意连接,则在响应报文段中使得SYN=1,ACK=1。因此,SYN=1表示这是一个连接请求,或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1,握手完成后SYN标志位被置0。 - 终止
FIN
:用来释放一个连接。FIN=1表示:此报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接
PS:ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位,其值要么是1,要么是0;ack、seq小写的单词表示序号。
- 三次握手
x=rand()
数据随机的必要性,当多个客户端发送连接请求时,才能确保回送的ack
是准确的。
第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。
第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态,完成三次握手。 四次挥手过程理解
- 四次挥手
- 客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。
- 服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
- 客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。
- 服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
- 客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗∗MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。
- 服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
TCP传输可靠性
- 排序、顺序发送、顺序组装
- 丢弃、超时
案例实操
TCP传输初始化配置
- 初始化服务器TCP链接监听
- 初始化客户端发起链接操作
- 服务器Socket链接操作
客户端与服务器交互
- 客户端发送简单字节
- 服务器接收客户端发送数据
- 服务器回送消息,客户端识别回送消息
基础数据类型传输
- byte、char、short
- boolean、int、long
- float、double、string
客户端
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;
public class Client {
private static final int PORT = 20000;
private static final int LOCAL_PORT = 20001;
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = createSocket();
initSocket(socket);
// 链接到本地20000端口,超时时间3秒,超过则抛出超时异常
socket.connect(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), PORT), 3000);
System.out.println("已发起服务器连接,并进入后续流程~");
System.out.println("客户端信息:" + socket.getLocalAddress() + " P:" + socket.getLocalPort());
System.out.println("服务器信息:" + socket.getInetAddress() + " P:" + socket.getPort());
try {
// 发送接收数据
todo(socket);
} catch (Exception e) {
System.out.println("异常关闭");
}
// 释放资源
socket.close();
System.out.println("客户端已退出~");
}
private static Socket createSocket() throws IOException {
/*
// 无代理模式,等效于空构造函数
Socket socket = new Socket(Proxy.NO_PROXY);
// 新建一份具有HTTP代理的套接字,传输数据将通过www.baidu.com:8080端口转发
Proxy proxy = new Proxy(Proxy.Type.HTTP,
new InetSocketAddress(Inet4Address.getByName("www.baidu.com"), 8800));
socket = new Socket(proxy);
// 新建一个套接字,并且直接链接到本地20000的服务器上
socket = new Socket("localhost", PORT);
// 新建一个套接字,并且直接链接到本地20000的服务器上
socket = new Socket(Inet4Address.getLocalHost(), PORT);
// 新建一个套接字,并且直接链接到本地20000的服务器上,并且绑定到本地20001端口上
socket = new Socket("localhost", PORT, Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT);
socket = new Socket(Inet4Address.getLocalHost(), PORT, Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT);
*/
Socket socket = new Socket();
// 绑定到本地20001端口
socket.bind(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), LOCAL_PORT));
return socket;
}
private static void initSocket(Socket socket) throws SocketException {
// 设置读取超时时间为2秒
socket.setSoTimeout(2000);
// 是否复用未完全关闭的Socket地址,对于指定bind操作后的套接字有效
socket.setReuseAddress(true);
// 是否开启Nagle算法
socket.setTcpNoDelay(true);
// 是否需要在长时无数据响应时发送确认数据(类似心跳包),时间大约为2小时
socket.setKeepAlive(true);
// 对于close关闭操作行为进行怎样的处理;默认为false,0
// false、0:默认情况,关闭时立即返回,底层系统接管输出流,将缓冲区内的数据发送完成
// true、0:关闭时立即返回,缓冲区数据抛弃,直接发送RST结束命令到对方,并无需经过2MSL等待
// true、200:关闭时最长阻塞200毫秒,随后按第二情况处理
socket.setSoLinger(true, 20);
// 是否让紧急数据内敛,默认false;紧急数据通过 socket.sendUrgentData(1);发送
socket.setOOBInline(true);
// 设置接收发送缓冲器大小
socket.setReceiveBufferSize(64 * 1024 * 1024);
socket.setSendBufferSize(64 * 1024 * 1024);
// 设置性能参数:短链接,延迟,带宽的相对重要性
socket.setPerformancePreferences(1, 1, 0);
}
private static void todo(Socket client) throws IOException {
// 得到Socket输出流
OutputStream outputStream = client.getOutputStream();
// 得到Socket输入流
InputStream inputStream = client.getInputStream();
byte[] buffer = new byte[256];
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer);
// byte
byteBuffer.put((byte) 126);
// char
char c = 'a';
byteBuffer.putChar(c);
// int
int i = 2323123;
byteBuffer.putInt(i);
// bool
boolean b = true;
byteBuffer.put(b ? (byte) 1 : (byte) 0);
// Long
long l = 298789739;
byteBuffer.putLong(l);
// float
float f = 12.345f;
byteBuffer.putFloat(f);
// double
double d = 13.31241248782973;
byteBuffer.putDouble(d);
// String
String str = "Hello你好!";
byteBuffer.put(str.getBytes());
// 发送到服务器
outputStream.write(buffer, 0, byteBuffer.position() + 1);
// 接收服务器返回
int read = inputStream.read(buffer);
System.out.println("收到数量:" + read);
// 资源释放
outputStream.close();
inputStream.close();
}
}
服务端
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.ByteBuffer;
public class Server {
private static final int PORT = 20000;
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket server = createServerSocket();
initServerSocket(server);
// 绑定到本地端口上
server.bind(new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), PORT), 50);
System.out.println("服务器准备就绪~");
System.out.println("服务器信息:" + server.getInetAddress() + " P:" + server.getLocalPort());
// 等待客户端连接
for (; ; ) {
// 得到客户端
Socket client = server.accept();
// 客户端构建异步线程
ClientHandler clientHandler = new ClientHandler(client);
// 启动线程
clientHandler.start();
}
}
private static ServerSocket createServerSocket() throws IOException {
// 创建基础的ServerSocket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
// 绑定到本地端口20000上,并且设置当前可允许等待链接的队列为50个
//serverSocket = new ServerSocket(PORT);
// 等效于上面的方案,队列设置为50个
//serverSocket = new ServerSocket(PORT, 50);
// 与上面等同
// serverSocket = new ServerSocket(PORT, 50, Inet4Address.getLocalHost());
return serverSocket;
}
private static void initServerSocket(ServerSocket serverSocket) throws IOException {
// 是否复用未完全关闭的地址端口
serverSocket.setReuseAddress(true);
// 等效Socket#setReceiveBufferSize
serverSocket.setReceiveBufferSize(64 * 1024 * 1024);
// 设置serverSocket#accept超时时间
// serverSocket.setSoTimeout(2000);
// 设置性能参数:短链接,延迟,带宽的相对重要性
serverSocket.setPerformancePreferences(1, 1, 1);
}
/**
* 客户端消息处理
*/
private static class ClientHandler extends Thread {
private Socket socket;
ClientHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
super.run();
System.out.println("新客户端连接:" + socket.getInetAddress() +
" P:" + socket.getPort());
try {
// 得到套接字流
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
byte[] buffer = new byte[256];
int readCount = inputStream.read(buffer);
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer, 0, readCount);
// byte
byte be = byteBuffer.get();
// char
char c = byteBuffer.getChar();
// int
int i = byteBuffer.getInt();
// bool
boolean b = byteBuffer.get() == 1;
// Long
long l = byteBuffer.getLong();
// float
float f = byteBuffer.getFloat();
// double
double d = byteBuffer.getDouble();
// String
int pos = byteBuffer.position();
String str = new String(buffer, pos, readCount - pos - 1);
System.out.println("收到数量:" + readCount + " 数据:"
+ be + "\n"
+ c + "\n"
+ i + "\n"
+ b + "\n"
+ l + "\n"
+ f + "\n"
+ d + "\n"
+ str + "\n");
outputStream.write(buffer, 0, readCount);
outputStream.close();
inputStream.close();
} catch (Exception e) {
System.out.println("连接异常断开");
} finally {
// 连接关闭
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("客户端已退出:" + socket.getInetAddress() +
" P:" + socket.getPort());
}
}
}
工具类
public class Tools {
public static int byteArrayToInt(byte[] b) {
return b[3] & 0xFF |
(b[2] & 0xFF) << 8 |
(b[1] & 0xFF) << 16 |
(b[0] & 0xFF) << 24;
}
public static byte[] intToByteArray(int a) {
return new byte[]{
(byte) ((a >> 24) & 0xFF),
(byte) ((a >> 16) & 0xFF),
(byte) ((a >> 8) & 0xFF),
(byte) (a & 0xFF)
};
}
}