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linux TCP

news 2025/11/7 9:24:03

通信

  • 管道：有名管道、无名管道

  • 信号：异步操作

    • kill 发送信号
    • signal 注册信号

  • 共享内存：通信效率高

  • 消息队列：增强管道，添加数据标识符

  • 信号量：用于通信过程中的数据同步

    • system-v 、POSIX（有名，无名）

  • 网络：套接字文件

通信理论

  • 通信特征：

    • 局域网通信时要求通信设备IP地址在同一个网段（IPV4的前三）

    • 在不同设备之间通信时，通信协议必须一致

  • soceket ：套接字文件，特殊文件，可收发，使用函数打开

  • IP ： 32位点分式IP地址

  • 端口号：2个字节的短整型（1-65535），自用端口号一般设置大于10000

  • 字节序：在X86一般是小端模式；在网络中一般是大端模式

通信协议

IP : 网际协议，给数据分配目标地址，通过路由器将数据转发

  • TCP : 传输控制协议，在IP的基础上提供可靠的数据传输，确保两端通信成功
  • UDP : 用户数据报协议，在IP的基础上提供快速、简单的数据传输，不考虑接收情况
TCPUDPIP
协议层传输层传输层网络层
连接性（主要）面向连接可无连接无连接
可靠性（主要）可靠，需两端连接成功不可靠，无需两端连接成功不可靠，用于寻址
传输速率慢快快
场景文件传输（HTTP直播、实时视频所有网络数据传输

通信模型

  • 七层模型（OSI）：理论上的模型 各层协议

    • 应用层： 生成数据 DNS Telnet HTTP FTP
    • 表示层： 加密数据，形成数据包 NA
    • 会话层： 管理对话 NA
    • 传输层： 实现管理下面的通讯子网提供定位端到端 TCP UDP
    • 网络层： 寻找对应地址 IP
    • 数据链路层：传输数据 PPP CSLIP
    • 物理层： 通过网络传输数据包 ISO2110 IEEE802 IEEE802.2

  • 四层模型（TCP/IP）：实际应用

    • 应用层： 整合应用层、表示层、会话层
    • 传输层：会话管理，
    • 网络层：找到对应的地址，
    • 网络接口层： 整合数据链路层、物理层，将二进制转化成数据帧
三次握手

  • 第一次握手：客户端发送一个 SYN给服务器，客户端进入SYN_SEND 状态,然后等待服务器的回发确认信息；
    第二次握手： 服务器发一个 SYN+ACK 给客户端，确认已经收到客户端发来的信息，此时服务器进入SYN_RECV状态；
    第三次握手：客户端接收到服务器发来的确认信息后，再反馈一个 ACK给服务器，完成三次握手,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，到此一个TCP连接就完成了。

  • 三次握手用于请求客户端和服务端连接，发生在客户端发起 connect 和服务端使用 accept 接收

在这里插入图片描述

四次挥手

  • 四次挥手，即TCP连接的释放过程，是指终止TCP连接协议时，需要在客户端和服务器之间发送四个包，以确保双方都能正常且有序地关闭连接。以下是四次挥手的详细过程：

    • 第一次挥手：客户端发送一个FIN报文段给服务器，表示客户端要关闭到服务器的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

    • 第二次挥手：服务器收到FIN报文段后，发送一个ACK报文段给客户端，确认收到客户端的关闭请求，服务器进入CLOSE_WAIT状态。此时，TCP连接处于半关闭状态，即客户端到服务器的连接关闭，但服务器到客户端的连接仍然打开。

    • 第三次挥手：服务器发送一个FIN报文段给客户端，表示服务器也要关闭到客户端的数据传送，服务器进入LAST_ACK状态。

    • 第四次挥手：客户端收到FIN报文段后，进入TIME_WAIT状态，并发送一个ACK报文段给服务器，确认收到服务器的关闭请求，服务器进入CLOSED状态，完成四次挥手。

      此时，TCP连接同时完全关闭，双方都不能再发送数据。

  • 需要注意的是，在第二次挥手和第三次挥手之间，双方都会进行确认操作，以确保数据已经完全发送和接收。此外，在第三次挥手后，服务器仍然可以向客户端发送数据，直到收到客户端的ACK报文段为止。

  • 四次挥手的目的是确保TCP连接的可靠关闭，避免数据丢失或连接状态不一致等问题。通过四次挥手，客户端和服务器可以有序地关闭连接，释放资源，为下一次连接做好准备。

TCP

在这里插入图片描述

//客户端#include "head.h"
//   名       IP      端口号
//./cfd   127.0.0.1   10000
int main(int argc,char *argv[])
{//创建套接字文件//IPV4,TCP,0int cfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(cfd == -1){printf("sfd socket fail \n");return -1;}//申请连接 struct sockaddr_in addr;      //通过参数 获取地址，端口addr.sin_family = AF_INET;     //地址族 IPV4addr.sin_port = atoi(argv[2]); //端口号//IPV4地址int res = inet_pton(AF_INET,argv[1],(struct in_addr*)&addr.sin_addr);if(res < 1){printf("pton fail");close(cfd);return 0;}res = connect(cfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));if(res < 0){printf("bind fail");close(cfd);return 0;}printf("cfd success \n");//发送数据char data[100];while(1){bzero(data,0);fputs("input:",stdout);fgets(data,sizeof(data),stdin);send(cfd,data,sizeof(data),0);if(strstr(data,"#") != NULL ){close(cfd);fputs("quit\n",stdout);break;}}close(cfd);printf("close \n");return 0;
}

//服务端#include "head.h"
//   名       IP      端口号
//./sfd   127.0.0.1   10000
int main(int argc,char *argv[])
{//创建套接字文件//IPV4,TCP,0int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sfd == -1){printf("sfd socket fail \n");return -1;}//绑定IP地址和端口号       struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;     //addr.sin_port = atoi(argv[2]); //端口号//IPV4地址int  res  = inet_pton(AF_INET,argv[1],(struct in_addr*)&addr.sin_addr);if(res < 1){printf("pton fail");close(sfd);return 0;}//绑定套接字和网络地址+res = bind(sfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));if(res < 0){printf("bind fail");close(sfd);return 0;}  //监听套接字res = listen(sfd,6);if(res < 0){printf("listen fail");close(sfd);return 0;}//等待连接struct sockaddr_in c_addr;int len = sizeof(c_addr);int cfd_addr = accept(sfd,(struct sockaddr*)&c_addr,&len);//返回if(cfd_addr < 0){printf("accrpt fail");close(sfd);return 0;}printf("success \n");char data[100];while(1){bzero(data,0);recv(cfd_addr,data,sizeof(data),0);if(strstr(data,"#") != NULL){close(sfd);printf("退出 \n");break;}printf("the str: %s \n",data);}printf("close \n");return 0;
}

UDP

在这里插入图片描述

//cfd.c  客户端
#include "head.h"
//   名      端口号   
//./cfd      10000     
int main(int argc,char *argv[])
{	//创建套接字文件//IPV4,UDP,0int cfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(cfd == -1){printf("cfd socket fail \n");return -1;}		//绑定IP地址和端口号,就是当前的使用的IP       struct sockaddr_in cfd_addr;cfd_addr.sin_family = AF_INET;     //IPV4cfd_addr.sin_port = atoi(argv[1]); //端口号int ret = inet_pton(AF_INET, argv[1], (struct in_addr*)&cfd_addr.sin_addr);//绑定指定IP	int cfd_len = sizeof(cfd_addr);/*res = bind(cfd,(struct sockaddr*)&cfd_addr,sizeof(cfd_addr));*/	char buf[100];while(1){bzero(buf, sizeof(buf));fgets(buf,sizeof(buf),stdin);sendto(cfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0,(struct sockaddr*)&cfd_addr,cfd_len);if (strstr(buf, "quit")  != NULL){break;}printf("from client[%d] data: %s\n", cfd, buf);}close(cfd);return 0;
}

//sfd.c#include "head.h"
//   名      端口号   
//./sfd      10000     
int main(int argc,char *argv[])
{//创建套接字文件//IPV4,UDP,0int sfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sfd == -1){printf("sfd socket fail \n");return -1;}	 //绑定IP地址和端口号       struct sockaddr_in sfd_addr;sfd_addr.sin_family = AF_INET;     //IPV4sfd_addr.sin_port = atoi(argv[1]); //端口号sfd_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //绑定所有IP地址bind(sfd,(struct sockaddr*)&sfd_addr,sizeof(sfd_addr));struct sockaddr cfd_addr;    //目标的地址int cfd_len = sizeof(cfd_addr);char buf[100];while(1){bzero(buf, sizeof(buf));recvfrom(sfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0,(struct sockaddr*)&cfd_addr,&cfd_len);if (strstr(buf, "quit")  != NULL){break;}		printf("from client[%d] data: %s\n", sfd, buf);}	 close(sfd); return 0;
}

IO通信模式

  • 阻塞：read recv recvfrom 默认是阻塞模式，accept 也会阻塞

  • 非阻塞

    • fcntl :将文件描述符改成非阻塞模式
//获取原属性
int sta = fcntl(fd,F_GETFL);
//修改属性为非阻塞
sta |= O_NONBLOCK;
//重新设置属性
fcntl(fd,F_GETFL,sta);

  • 如果将accept 传入非阻塞的套接字文件，将只执行一次，这样会获取不到信息

  • 阻塞模式消耗CPU小于非阻塞模式

信号IO驱动

  • 等待数据不在阻塞，通过信号通知的方式触发数据读取操作，没有信号时不会进行无限判断
  • 通过signal 函数注册IO信号，在有数据时自动执行接收，反应快
  • 在多线程客户端服务端之间，使用多线程时使用

IP地址

  • 点分式，32位的IPV4

  • 127.0.0.1是回环地址，代表所有IP

    • 广播IP地址：最后一个字节是255，本地广播信息不会被路由器转发，转发是需要指明接收者的端口号
    • 组播（多播）：使用D类IP地址（只要符合D类地址的规则），同一网络业务的主机一起分组，数据只发给同组用户
    • 广播在局域网进行，组播在广域网进行

  • A类：网络ID占 7位 ，最高位是固定的0；3个字节主机ID，

    • 范围：0.0.0.0 ~127.255.255.255，127.0.0.1 是一个回环地址
    • 一般用于大型网络，可以提供最大的主机数 2^24个

  • B类：网络ID占 14 位；前两位固定为 1 0 , 2个字节主机ID，

    • 范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255固定开头四位 1110
    • 一般用于中型 ，最大主机数 2^16

  • C类：网络占21位，前三位固定为 1 1 0 ; 1 个字节主机ID

    • 范围：192.0.0.0 ~223.255.255.255
    • 用于小型，最多主机数 2^8

  • D类：组播地址，（组IP），多点传送IP地址，固定开头四位 1110

    • 范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
    • 用于多播（组播），将信息发送给一组主机，因为没主机

  • E类：固定开头四位 1111 ,剩下保留

    • 范围：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255
    • 用于实验室测试

接收超时

void *fun1(void *arg)
{int i = 0 ;while(1){printf("%d \n",i++);sleep(1);}
}void fun2(int sig)
{printf("manbao out");
}main()//./sfd 127.0.0.1 10005
{//创建线程pthread_t tid;if( pthread_create(&tid,NULL,fun1,NULL) != 0){perror();}  pthread_detach(tid);#if 0   //SIGALRM//注册信号signal(SIGALRM,fun2);   
#endif//创建套接字int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sfd < 0);  //绑定IP地址和端口号       struct sockaddr_in sfd_addr;addr.sin_family = AF_INET;     //addr.sin_port = atoi(argv[2]); //端口号//IPV4地址int  res  = inet_pton(AF_INET,argv[1],(struct in_addr*)&sfd_addr.sin_addr);if(res < 1)res = bind(sfd,(struct sockaddr*)&sfd_addr,sizeof(sfd_addr));if(res < 0)//监听listen(sfd,5);//获得发送方信息struct sockaddr_in cfd_addr;int cfd_len = sizeof(cfd_addr);int cfd = accept(sfd,(struct sockaddr)&cfd_addr,&cfd_len);//保存信息char cfd_ip[100];int cfd_port = ntoh(cfd_addr.sin_port);inet_ntops(AF_INET,&cfd_addr.sin_addr,cfd_ip,sizeof(cfd_ip));//取出IP地址printf("客户端ip：[%s],客户端端口号：[%d]",cfd_ip,cfd_port);
#if 1//设置超时时间struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;//设置超时，判断套接字是否超时setsockopt(cfd，SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,&timeout,sizeof(timeout));
#enndif//接收char buf[256];while(1){
#if 0alarm(5);//设置5秒闹钟，到期后触发闹钟//触发一次后阻塞在接收上
#endif        //recv(cfd_addr,data,sizeof(data),0);int res = read(cfd,buf,sizeof(buf));if(res < 0){if(error == EAGAIN){printf("超时 %d waiting",timeout.tv_sec);continue;}else{perror("read error");break;}}else if(res == 0){printf("断开");break;}else{if(strstr(data,"#") != NULL){close(sfd);printf("退出 \n");break;}printf("the str: %s \n",data);}        }close(sfd);close(cfd);
}

多路复用

  • 网络IO模型：阻塞，非阻塞，信号IO，多路复用，异步IO
  • 一个线程管理多个IO事件，多个文件描述符，用于解决传统阻塞IO导致的线程资源浪费
  • select : 最早的多路复用，通过文件描述符集合统一监听多个文件描述符，一般不超过1024个文件，每次都要检查全部集合的就绪事件
  • poll ： 优化了select 的最大固定大小的问题，改用动态数组保存文件描述符，但是每次还是需要遍历全部
  • epoll ： 这是最优解，通过红黑树存储监听的文件描述符，就绪时直接返回事件，无需遍历，支持高并发
http://www.dtcms.com/a/577799.html

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