【网络是怎样连接的】第2章 - 用电信号传输 TCP/IP 数据

2.2 连接服务器

连接是什么意思

创建套接字之后，应用程序（浏览器）就会调用connect，随后协议栈会将本地的套接字与服务器的套接字进行连接。

连接实际上是通信双方交换控制信息，在套接字中记录这些必要信息并准备数据收发的一连串操作。

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，即便应用程序要求发送数据，协议栈也不知道数据应该发送给谁。浏览器可以根据网址来查询服务器的IP地址，而且根据规则也知道应该使用80号端口，但只有浏览器知道这些必要的信息是不够的，因为在调用socket创建套接字时，这些信息并没有传递给协议栈。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栈，这是连接操作的目的之一。

在服务器上，连应用程序也不知道通信对象是谁，这样下去永远也没法开始通信。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.xxx. xxx.xxx，端口号是yyyy。”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。

连接实际上是通信双方交换控制信息，在套接字中记录这些必要信息并准备数据收发的一连串操作，像上面提到的客户端将IP地址和端口号告知服务器这样的过程就属于交换控制信息的一个具体的例子。

使用“连接”这个词是有原因的。通信技术的历史已经有100多年，从通信技术诞生之初到几年之前的很长一段时间内，电话技术一直都是主流。
而电话的操作过程分为三个阶段：
（1）拨号与对方连接；
（2）通话；
（3）挂断。
人们将电话的思路套用在现在的计算机网络中了，所以也就自然而然地将通信开始之前的准备操作称为“连接”了。如果没有这段历史的话，说不定现在我们就不叫“连接”而是叫“准备”了。因此，如果觉得“连接”这个词听起来有些怪，那么用“准备”这个词来替换也问题不大。

交换控制信息，在套接字中记录这些必要信息并准备数据收发的一连串操作，像上面提到的客户端将IP地址和端口号告知服务器这样的过程就属于交换控制信息的一个具体的例子。

当执行数据收发操作时，我们还需要一块用来临时存放要收发的数据的内存空间，这块内存空间称为缓冲区，它也是在连接操作的过程中分配的。

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。
（1）头部中记录的信息
（2）套接字（协议栈中的内存空间）中记录的信息

• 第一类是客户端和服务器相互联络时交换的控制信息。这些信息不仅连接时需要，包括数据收发和断开连接操作在内，整个通信过程中都需要，这些内容在TCP协议的规格中进行了定义。

这些字段是固定的，在连接、收发、断开等各个阶段中，每次客户端和服务器之间进行通信时，都需要提供这些控制信息。

这些控制信息位于网络包的开头，因此被称为头部。此外，以太网和IP协议也有自己的控制信息，这些信息也叫头部，为了避免各种不同的头部发生混淆，我们一般会记作TCP头部、以太网头部[插图]、IP头部。

• 控制信息还有另外一类，那就是保存在套接字中，用来控制协议栈操作的信息。应用程序传递来的信息以及从通信对象接收到的信息都会保存在这里，还有收发数据操作的执行状态等信息也会保存在这里，协议栈会根据这些信息来执行每一步的操作。我们可以说，套接字的控制信息和协议栈的程序本身其实是一体的，因此，“协议栈具体需要哪些信息”会根据协议栈本身的实现方式不同而不同，但这并没有什么问题。

连接操作的实际过程

表2.1 TCP头部格式.png 图2.4 客户端与服务器之间交换的控制信息.png

connect（<描述符>, <服务器IP地址和端口号>, …）

• 首先，客户端先创建一个包含表示开始数据收发操作的控制信息的头部。

连接操作的第一步是在TCP模块处创建表示连接控制信息的头部。
通过TCP头部中的发送方和接收方端口号可以找到要连接的套接字。

• 当TCP头部创建好之后，接下来TCP模块会将信息传递给IP模块并委托它进行发送[插图]。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模块会将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，从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套接字就可以了。当找到对应的套接字之后，套接字中会写入相应的信息，并将状态改为正在连接。

• 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1则表示连接成功，这时会向套接字中写入服务器的IP地址、端口号等信息，同时还会将状态改为连接完毕。到这里，客户端的操作就已经完成，但其实还剩下最后一个步骤。刚才服务器返回响应时将ACK比特设置为1，相应地，客户端也需要将ACK比特设置为1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。

• 现在，套接字就已经进入随时可以收发数据的状态了，大家可以认为这时有一根管子把两个套接字连接了起来。当然，实际上并不存在这么一根管子，不过这样想比较容易理解，网络业界也习惯这样来描述。这根管子，我们称之为连接(connection、session)。只要数据传输过程在持续，也就是在调用close断开之前，连接是一直存在的。

• 建立连接之后，协议栈的连接操作就结束了，也就是说connect已经执行完毕，控制流程被交回到应用程序。