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Linux编程——网络编程（tcp）

news 2025/9/4 11:39:27

tcp协议 (传输控制协议)特征：

1.流式套接字

2.数据连续，顺序发送

3.可靠传输，应答机制（保障数据可靠传输），数据发送丢包后启动自动重传机制

4.有链路（服务器和客户端会先打通一条通路，建立连接，连接server和client，互联网传输节点状态信息可以保存）

5.全双工通信

6.机制复杂

7.双缓冲区，收发互不影响

建立连接——三次握手

握手次数发送方

核心内容 [seq:序列号]

目的
第一次客户端SYN=1, Seq=X发起连接，告知服务器:客户端的起始序列号。
第二次服务器SYN=1, ACK=1, Seq=Y, Ack=X+1同意连接，告知客户端:服务器的起始序列号，并确认收到了你的第一个包。
第三次客户端ACK=1, Seq=X+1, Ack=Y+1确认收到了你的包。至此，双方都确认了对方的发送能力和自己的接收能力。

最核心、必须发送的内容就是双方的初始序列号和对对方序列号的确认！！！

断开连接——四次挥手

操作流程

listen()函数不会阻塞，用于监听服务器状态，接收请求连接的客户端，并与客户端完成三次握手建立通信连接

read() --- write() 也可以调用 send() --- recv()

客户端/服务器端，任意一端断开，套接字进入半链接状态，只能收不能发

服务器端

<1>sock() 建立流式套接字

头文件：#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

原型：        int socket(int domain, int type, int protocol);

功能：        创建一个通信端点（套接字），并返回一个文件描述符。这是网络通信的起点。

参数：        

  • int domain：协议族。常用 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。

  • int type：套接字类型。常用 SOCK_STREAM（面向连接的可靠TCP流）或 SOCK_DGRAM（无连接的UDP数据报）。

  • int protocol：通常设置为 0，表示由系统根据前两个参数自动选择默认协议（如 SOCK_STREAM 默认对应 IPPROTO_TCP）。

返回值：     成功 返回一个非负整数的文件描述符

                   失败 返回-1

示例代码
//创建流式套接字int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(-1 == listfd){perror("socket fail");return 1;}

<2>bind() 绑定服务器地址和端口

头文件：#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

              #include <netinet/ip.h>

原型：        int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能：        将上一步创建的套接字与一个特定的本地IP地址和端口号绑定起来。服务器必须这么                       做，以便客户端能够知道要连接到哪台机器的哪个服务。

参数：       

  • int sockfd：socket() 函数返回的套接字描述符。

  • const struct sockaddr *addr：指向一个包含协议家族、IP地址、端口号等信息的结构体的指针。

    • 实际使用时，通常填充 struct sockaddr_in (用于IPv4)，然后强制转换为 struct sockaddr *

  • socklen_t addrlen：第二个参数所指向的结构体的大小（sizeof(struct sockaddr_in)）

返回值：    成功 返回0；

                   失败 返回-1，并设置errno

struct sockaddr_in - 定义IPv4套接字地址

struct in_addr - 存储IPv4地址

示例代码
struct sockaddr_in address;
bzero(&ser, sizeof(ser));
bzero(&cli, sizeof(cli));address.sin_family = AF_INET; // IPv4
//127.0.0.1 表示自己的IP地址，本机自己接收
// ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到本机所有可用的IP地址
address.sin_port = htons(8080); // 绑定到8080端口 (htons用于主机字节序到网络字节序的转换)int ret  =bind(listfd,(SA)&ser,sizeof(ser));
if(-1 == ret)
{perror("bind fail");return 1;        
}

<3>listen() 使套接字进入监听

头文件：#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

原型：        int listen(int sockfd, int backlog);

功能：        将一个已绑定的套接字置于被动监听状态，告诉操作系统该套接字用于接受来自客户端的连接请求。此调用后，套接字从“CLOSED”状态变为“LISTEN”状态。

参数：        

  • int sockfd：已通过 bind() 绑定的套接字描述符。

  • int backlog：连接请求队列的最大长度。当多个客户端同时发起连接时，已完成三次握手但尚未被服务器 accept() 的连接会排在这个队列里。此参数定义了队列的最大值。通常设置为 5、10 或更大，如 SOMAXCONN（系统允许的最大值）

返回值：     成功 返回0

                   失败 返回-1，并设置errno

示例代码
//监听套接字（建立连接），3-三次握手的排队的客户端个数（同一时刻）
listen(listfd,3);

<4>accept() 接受(建立)连接 【发生三次握手】

头文件：#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

原型：     int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

功能：      从 listen() 设置的连接请求队列中取出一个已建立的连接，并为这个连接创建一个新的                     套接字。原来的监听套接字继续用于接受其他连接。
//这是一个阻塞调用（默认情况下）。如果队列为空，进程会进入睡眠状态，直到                     有新的连接到达。      

参数：       

  • int sockfd：处于监听状态的套接字描述符（server_fd）。

  • struct sockaddr *addr：一个指向 struct sockaddr 的指针，用于获取客户端的地址信息（IP和端口）。如果不需要，可以设为 NULL。

  • socklen_t *addrlen：这是一个值-结果参数。调用时，需要将其初始化为 addr 指向的缓冲区的大小。函数返回时，它会被设置为实际存放地址信息的长度。

返回值：     成功 返回一个新的套接字描述符（new_socket），这个新套接字是专门用于与这个                       特定客户端通信的。

                  失败 返回-1 ，并设置errno

示例代码
//通信套接字，用于后续通信的通道int conn = accept(listfd,(SA)&cli,&len);if(-1 == conn){perror("accept fail");return 1;}

<5>recv() 接收数据

头文件：#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

原型：        ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

功能：        从已连接的套接字（由 accept() 返回的）接收对端发送过来的数据

参数：        

  • int sockfd：已连接的套接字描述符（new_socket）。

  • void *buf：指向接收缓冲区的指针，用于存放接收到的数据。

  • size_t len：接收缓冲区的最大长度。

  • int flags：标志位，用于控制接收行为。通常设置为 0（表示阻塞模式，常规操作）

返回值：     成功 返回0（0表示对端已经关闭连接，即收到了FIN包); 返回实际接收到的字节数(>0)

                   失败 返回-1，并设置errno

<6>send() 发送数据

头文件：#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

原型：        ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

功能：        从已连接的套接字（由 accept() 返回的）接收对端发送过来的数据

参数：        

  • int sockfd：已连接的套接字描述符（new_socket）。

  • const void *buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。

  • size_t len：要发送的数据的字节数。

  • int flags：标志位，通常设置为 0

返回值：     成功 返回实际发送出去的字节数

                   失败 返回-1，并设置errno

<7>close() 关闭套接字和监听套接字

服务器端示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>typedef struct sockaddr *SA;int	main(int argc, char **argv)
{//监听套接字int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(-1 == listfd){perror("socket fail");return 1;}//man 7 ipstruct sockaddr_in ser,cli;bzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);//127.0.0.1 表示自己的IP地址，本机自己接收// ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int ret  =bind(listfd,(SA)&ser,sizeof(ser));if(-1 == ret){perror("bind fail");return 1;}//监听套接字（建立连接），3-三次握手的排队的客户端个数（同一时刻）listen(listfd,3);socklen_t len = sizeof(cli);//通信套接字int conn = accept(listfd,(SA)&cli,&len);if(-1 == conn){perror("accept fail");return 1;}time_t tm;while (1){char buf[1024] = {0};int ret = recv(conn,buf,sizeof(buf),0);if(ret <= 0)    //客户端断开连接{break;}time(&tm);sprintf(buf,"%s %s",buf,ctime(&tm));   //数据处理send(conn,buf,strlen(buf),0); }close(listfd);close(conn);return 0;
}

客户端

头文件：#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

<1>socket() 创建套接字

<2>connect() 发起连接

原型：        int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能：        客户端调用此函数向指定的服务器发起连接请求。它会触发TCP三次握手过程。

参数：        

  • int sockfd：socket() 函数返回的套接字描述符。

  • const struct sockaddr *addr：指向一个包含服务器协议家族、IP地址、端口号等信息的结构体的指针。这是连接的目标地址。（结构体指针信息详细见服务器端 bind()函数）

    • 实际使用时，填充 struct sockaddr_in，然后强制转换为 struct sockaddr *。

  • socklen_t addrlen：第二个参数所指向的结构体的大小

返回值：     成功 返回0 （表示此时三次握手成功，TCP连接已建立）

                   失败 返回-1，并设置errno

代码示例
//man 7 ipstruct sockaddr_in ser,cli;bzero(&ser, sizeof(ser));   bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);//127.0.0.1 表示自己的IP地址，本机自己接收// ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//三次握手成功判断int ret = connect(conn,(SA)&ser,sizeof(ser));if(-1 == ret){perror("connect fail");return 1;}

<3>send() 发送数据

<4>recv() 接收数据

<5>close() 关闭打开的套接字（触发四次挥手）

客户端代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>typedef struct sockaddr *SA;int	main(int argc, char **argv)
{int conn = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(-1 == conn){perror("socket fail");return 1;}//man 7 ipstruct sockaddr_in ser,cli;bzero(&ser, sizeof(ser));   bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);//127.0.0.1 表示自己的IP地址，本机自己接收// ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//三次握手成功判断int ret = connect(conn,(SA)&ser,sizeof(ser));if(-1 == ret){perror("connect fail");return 1;}int i = 10;while (i--){char buf[1024] = "hello this is client";send(conn,buf,strlen(buf),0);bzero(buf, sizeof(buf));recv(conn,buf,sizeof(buf),0);printf("from ser: %s\n",buf);sleep(1);}close(conn);   return 0;
}

数据粘包：因为tcp协议是流式套接字，数据与数据之间没有边界，发送方发送数据，接收方无法解析数据（接收方无法区分）

解决方案：

1.设置边界；

2.固定大小；

3.自定义协议；

TCP与UDP的区别

特性维度TCP (传输控制协议)UDP (用户数据报协议)
连接方式面向连接无连接
传输数据前必须通过三次握手建立可靠连接无需建立连接，可直接发送数据
可靠性安全可靠不安全、不可靠
通过应答确认、超时重传、流量控制、拥塞控制等机制保证数据不丢失、不重复、按序到达。不提供任何可靠性保证，可能丢失、重复、乱序。
传输速度相对较慢非常快
由于复杂的控制机制和握手过程，延迟较高，传输速度慢。没有连接开销和复杂控制，延迟极低，传输速度快。
复杂度机制复杂实现简单
实现复杂，需要维护连接状态、序列号、确认号、窗口等。协议本身非常简单，几乎只有端口和校验和。
通信模式全双工通信支持全双工，但本质是报文交换
建立连接后，双方可同时可靠地发送和接收数据。使用发送缓冲区和接收缓冲区。可以发送和接收，但每个数据包都是独立的。
数据形式字节流数据报
无消息边界，应用程序看到的是一串无结构的字节流，需自行处理粘包/拆包问题。有消息边界，接收到的数据与发送时完全一致，保留报文长度。
控制机制拥有完整的流量控制、拥塞控制、差错处理机制。无拥塞控制。网络拥堵时发送速率不变，会导致更高丢包率。
传输单元段数据报
广播/组播不支持支持
仅支持一对一通信。支持一对一、一对多（广播）、多对多（组播）通信。
首部开销大小
标准首部20字节，加上可选选项可达60字节。固定首部仅8字节。
典型应用要求数据完整、可靠的应用：
• Web浏览
• 电子邮件
• 文件传输
• 数据库操作		要求低延迟、实时性的应用：
• 视频会议、直播
• 语音通话
• 在线游戏
• DNS查询
• SNMP网络管理
套接字类型SOCK_STREAM (流式套接字)SOCK_DGRAM (数据报套接字)

数据报：

发送次数和接收次数需要对应；

数据与数据之间有边界

http://www.dtcms.com/a/365740.html

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