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linux网络编程之深入解析TCP与UDP传输协议

arlanguage3个月前 (02-11)技术文章18

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一、什么是 socket ？

Socket 的英文原义是“孔”或“插座”。在编程中，Socket 被称做套接字，是网络通信中的一种约定。Socket 编程的应用无处不在，我们平时用的 QQ、微信、浏览器等程序，都与 Socket 编程有关。

那么我们使用浏览器查资料，这个过程的技术原理是怎样的呢？如下所示：

使用浏览器，有两个重要的名词：服务端与客户端，Socket 编程的目的就是实现这两端之间的通信。

二、Socket 编程的重要概念

① IP 地址

IP 地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。IP 地址被用来给 Internet 上的电脑一个编号，可以把“个人电脑”比作“一台电话”，那么“IP 地址”就相当于“电话号码”。若计算机 1 知道计算机 2 的 IP 地址，则计算机 1 就能访问计算机 2。

IP 地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割为 4 个“8位二进制数”（也就是 4 个字节）。IP 地址通常用点分十进制表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d 都是 0~255 之间的十进制整数。例：点分十进 IP 地址（100.4.5.6），实际上是 32 位二进制数（
01100100.00000100.00000101.00000110）。

IP 地址有 IPv4 与 IPv6 之分，现在用得较多的是 IPv4。其中，有一个特殊的 IP 地址需要记住：127.0.0.1，这是回送地址，即本地机，一般用来测试使用。

② TCP/IP 端口

若计算机 1 知道计算机 2 的 IP 地址，则计算机 1 就能访问计算机 2。但是，要访问计算机 2 中的不同的应用软件，则还得需要一个信息：端口。

服务端口，最多可以有65536个，使用 16bit 进行编号，即其范围为：0 ~ 65535。但 0 ~ 1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21 等。

③ 协议

协议（Protocol）是通信双方进行数据交互的一种约定，如 TCP、UDP 协议。

TCP（Transmission Control Protocol 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，数据可以准确发送，数据丢失会重发，TCP 协议常用于 web 应用中。

TCP 连接（三次握手）：TCP 传输起始时，客户端、服务端要完成三次数据交互工作才能建立连接，常称为三次握手。可形象比喻为如下对话：

  • 客户端：服务端您好，我有数据要发给你，请求您开通访问权限。
  • 服务端：客户端您好，已给您开通权限，您可以发送数据了。
  • 客户端：收到，谢谢。

TCP 连接（三次握手）具体示意图为：

说明：SYN 和 ACK 是都是标志位，其中 SYN 代表新建一个连接，ACK 代表确认。其中 m、n 都是随机数。具体说明如：

  • 第一次握手：SYN 标志位被置位，客户端向服务端发送一个随机数 m。
  • 第二次握手：ACK、SYN 标志位被置位。服务端向客户端发送 m+1 表示确认刚才收到的数据，同时向客户端发送一个随机数 n。
  • 第三次握手：ACK 标志被置位，客户端向服务端发送 n+1 表示确认收到数据。

TCP 断开（四次挥手）：TCP 断开连接时，客户端、服务端要完成四次数据交互工作才能建立连接，常称为四次挥手。可形象比喻为如下对话：

  • 客户端：服务端您好，我发送数据完毕了，即将和您断开连接。
  • 服务端：客户端您好，我稍稍准备一下，再给您断开
  • 服务端：客户端您好，我准备好了，您可以断开连接了。
  • 客户端：好的，合作愉快。

TCP 断开（四次挥手）具体示意图为：

FIN 也是一个标志位，代表断开连接，类似三次握手。

为什么建立连接只需要三次数据交互，而断开连接需要四次呢？

建立连接时，服务端在监听状态下，收到建立连接请求的 SYN 报文后，把 ACK 和 SYN 放在一个报文里发送给客户端。

而关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即 close，也可以发送一些数据给对方后，再发送 FIN 报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方 ACK 和 FIN 一般都会分开发送。

UDP 协议：UDP（User Datagram Protocol， 用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，可以保证通讯效率，传输延时小。例如视频聊天应用中用的就是 UDP 协议，这样可以保证及时丢失少量数据，视频的显示也不受很大影响。

什么是协议族？协议族是多个协议的统称。比如 TCP/IP 协议族，其不仅仅是 TCP 协议、IP 协议，而是多个协议的集合，其包含 IP、TCP、UDP、FTP、SMTP 等协议。

三、socket 编程的 API 接口

① Linux 下的 socket API 接口

创建 socket：socket()函数

函数原型，如下所示：

	int socket(int af, int type, int protocol);

函数说明：

  • af 参数：af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6，其前缀也可以是 PF（Protocol Family），即 PF_INET 和 PF_INET6。
  • type 参数：type 为数据传输方式，常用的有 面向连接（SOCK_STREAM）方式（即 TCP） 和 无连接（SOCK_DGRAM）的方式（即 UDP）。
  • protocol 参数：protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

创建 TCP 套接字：

	int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

创建 UDP 套接字：

	int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

绑定套接字：bind() 函数

函数原型，如下所示：

	int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数说明：

  • sock 参数：sock 为 socket 文件描述符。
  • addr 参数：addr 为 sockaddr 结构体变量的指针。
  • addrlen 参数：addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

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将创建的套接字 ServerSock 与本地 IP127.0.0.1、端口 1314 进行绑定：

	/* 创建服务端socket */
	int ServerSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	/* 设置服务端信息 */
	struct sockaddr_in ServerSockAddr;
	memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));     
	// 给结构体ServerSockAddr清零
	ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;                    		
	// 使用IPv4地址
	ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	// 本机IP地址
	ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); // 端口
	?/* 绑定套接字 */
	bind(ServerSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

其中 struct sockaddr_in 类型的结构体变量用于保存 IPv4 的 IP 信息，若是 IPv6，则有对应的结构体：

	struct sockaddr_in6 {     
		sa_family_t sin6_family;    // 地址类型，取值为AF_INET6    
		in_port_t sin6_port;        // 16位端口号    
		uint32_t sin6_flowinfo;     // IPv6流信息    
		struct in6_addr sin6_addr;  // 具体的IPv6地址    
		uint32_t sin6_scope_id;     // 接口范围ID
	};

建立连接：connect() 函数

函数原型，参数与 bind() 的参数类似，如下所示：

	int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

使用示例：

	int ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	connect(ClientSock, (SOCKADDR*)&ServerSockAddr, sizeof(SOCKADDR));

监听：listen() 函数

函数如下所示：

	int listen(int sock, int backlog);

函数的参数说明：

  • sock 参数：sock 为需要进入监听状态的套接字。
  • backlog 参数：backlog 为请求队列的最大长度。

使用示例：

	/* 进入监听状态 */
	listen(ServerSock, 10);

接收请求：accept() 函数

函数如下所示：

	int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

函数参数说明：

  • sock 参数：sock 为服务器端套接字。
  • addr参数：addr 为 sockaddr_in 结构体变量。
  • addrlen 参数：addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
  • 返回值：一个新的套接字，用于与客户端通信。

使用示例：

	/* 监听客户端请求，accept函数返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */
	int ClientSock = accept(ServerSock, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &len);

关闭：close() 函数

函数如下：

	int close(int fd);

函数参数 fd：要关闭的文件描述符。

使用示例：

	close(ServerSock);

数据的接收和发送

数据收发函数有几组：

	read()/write()
	recv()/send()
	readv()/writev()
	recvmsg()/sendmsg()
	recvfrom()/sendto()

函数原型如下：

	ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
	ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
	ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
	ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
	ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
	                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
	ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
	                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
	ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
	ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

recv() 函数：

  • sockfd 参数：sockfd 为要接收数据的套接字。
  • buf 参数：buf 为要接收的数据的缓冲区地址。
  • len 参数：len 为要接收的数据的字节数。
  • flags 参数：flags 为接收数据时的选项，常设为 0。
	ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

send() 函数：

  • sockfd 参数：sockfd 为要发送数据的套接字。
  • buf 参数：buf 为要发送的数据的缓冲区地址。
  • len 参数：len 为要发送的数据的字节数。
  • flags 参数：flags 为发送数据时的选项，常设为 0。
	ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

recvfrom() 函数：

  • sock：用于接收 UDP 数据的套接字；
  • buf：保存接收数据的缓冲区地址；
  • nbytes：可接收的最大字节数（不能超过 buf 缓冲区的大小）；
  • flags：可选项参数，若没有可传递 0；
  • from：存有发送端地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
  • addrlen：保存参数 from 的结构体变量长度的变量地址值。
	ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);

sendto() 函数：

  • sock：用于传输 UDP 数据的套接字；
  • buf：保存待传输数据的缓冲区地址；
  • nbytes：带传输数据的长度（以字节计）；
  • flags：可选项参数，若没有可传递 0；
  • to：存有目标地址信息的 sockaddr 结构体变量的地址；
  • addrlen：传递给参数 to 的地址值结构体变量的长度。
	ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

② windows 下的 socket API 接口

	SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
	int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);
	int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);
	int listen(SOCKET sock, int backlog);
	SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); 
	int closesocket( SOCKET s);
	int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);
	int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);
	int recvfrom(SOCKET sock, char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockaddr *from, int *addrlen);
	int sendto(SOCKET sock, const char *buf, int nbytes, int flags, const struct sockadr *to, int addrlen);

③ TCP、UDP 通信的 socket 编程流程图

TCP 通信 socket 编程流程：

UDP 通信 socket 编程流程：

四、socket 的应用实例

① 基于 TCP 的本地客户端、服务端信息交互实例

本例的例子实现的功能为：本地 TCP 客户端往本地 TCP 服务端发送数据，TCP 服务端收到数据则会打印输出，同时把原数据返回给 TCP 客户端。这个例子类似于在做单片机的串口实验时，串口上位机往我们的单片机发送数据，单片机收到数据则把该数据原样返回给上位机。

Linux 程序

在 linux 下，“一切都是文件”，所以这里的套接字也当做文件来看待。

服务端程序 linux_tcp_server.c：

	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	
	#define BUF_LEN  100
	
	int main(void) {
		int ServerFd, ClientFd;				
		char Buf[BUF_LEN] = {0};
		struct sockaddr ClientAddr;
		int addr_len = 0, recv_len = 0;
		struct sockaddr_in ServerSockAddr;  
		int optval = 1; 
		
		/* 创建服务端文件描述符 */
		if (-1 == (ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
		{
			printf("socket error!\n");
			exit(1);
		}
		
		/* 设置服务端信息 */
		
	    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); 	// 给结构体ServerSockAddr清零
	    ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;  					// 使用IPv4地址
	    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);		// 自动获取IP地址
	    ServerSockAddr.sin_port = htons(6666);  				// 端口
		
	
		// 设置地址和端口号可以重复使用  
	    if (setsockopt(ServerFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0)
		{
			printf("setsockopt error!\n");
			exit(1);
		}
		
		/* 绑定操作，绑定前加上上面的socket属性可重复使用地址 */
	    if (-1 == bind(ServerFd, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(struct sockaddr)))
		{
			printf("bind error!\n");
			exit(1);
		}
			
		/* 进入监听状态 */
		if (-1 == (listen(ServerFd, 10)))
		{
			printf("listen error!\n");
			exit(1);
		}
		
		addr_len = sizeof(struct sockaddr);
	
		while (1)
		{
			/* 监听客户端请求，accept函数返回一个新的套接字，发送和接收都是用这个套接字 */
			if (-1 == (ClientFd = accept(ServerFd, (struct sockaddr*)&ClientAddr, &addr_len)))
			{
				printf("accept error!\n");
				exit(1);
			}
	
			/* 接受客户端的返回数据 */
			if ((recv_len = recv(ClientFd, Buf, BUF_LEN, 0)) < 0)
			{
				printf("recv error!\n");
				exit(1);
			}
			
			printf("客户端发送过来的数据为：%s\n", Buf);
			
			/* 发送数据到客户端 */
			send(ClientFd, Buf, recv_len, 0);
			
			/* 关闭客户端套接字 */
			close(ClientFd);
			
			/* 清空缓冲区 */
			memset(Buf, 0, BUF_LEN);  
		}
		return 0;
	}

客户端程序 linux_tcp_client.c：

	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	
	#define BUF_LEN  100
	
	int main(void) {
		int ClientFd;
		char Buf[BUF_LEN] = {0};
		struct sockaddr_in  ServerSockAddr;
		
		
		/* 向服务器发起请求 */
	    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));  
	    ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;
	    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	    ServerSockAddr.sin_port = htons(6666);
		
		while (1)
		{
			/* 创建客户端socket */
			if (-1 == (ClientFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
			{
				printf("socket error!\n");
				exit(1);
			}
			
			/* 连接 */
			if (-1 == connect(ClientFd, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr)))
			{
				printf("connect error!\n");
				exit(1);
			}
			
			printf("请输入一个字符串，发送给服务端：");
			gets(Buf);
			/* 发送数据到服务端 */
			send(ClientFd, Buf, strlen(Buf), 0);
			memset(Buf, 0, BUF_LEN);   // 重置缓冲区
			
			/* 接受服务端的返回数据 */
			recv(ClientFd, Buf, BUF_LEN, 0);
			printf("服务端发送过来的数据为：%s\n", Buf);
			
			memset(Buf, 0, BUF_LEN);   // 重置缓冲区
			close(ClientFd);   // 关闭套接字
		}
		return 0;
	}

Linux 下编译就不需要添加 -lwsock32 参数：

	gcc linux_tcp_server.c -o linux_tcp_server
	gcc linux_tcp_client.c -o linux_tcp_client

实验现象：

	$ ./linux_tcp_server
	客户端发送过来的数据为：hello
	客户端发送过来的数据为：world
	$ ./linux_tcp_client
	请输入一个字符串，发送给服务端：hello
	服务端发送过来的数据为：hello
	请输入一个字符串，发送给服务端：world
	服务端发送过来的数据为：hello
  请输入一个字符串，发送给服务端：

在调试这份程序时，出现了绑定错误：

	$ ./linux_tcp_client
	bind error!

经上网查询发现是端口重复使用，可以在调用 bind() 函数之前调用 setsockopt() 函数以解决端口重复使用的问题：

② 基于 UDP 的本地客户端、服务端信息交互实例

Linux 下的程序

服务端程序 linux_udp_server.c：

	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	
	#define BUF_LEN  100
	
	int main(void) {
		int ServerFd;
		char Buf[BUF_LEN] = {0};
		struct sockaddr ClientAddr;
		struct sockaddr_in ServerSockAddr;
		int addr_size = 0; 
		int optval = 1; 
		
		/* 创建服务端socket */
		if ( -1 == (ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)))
		{
			printf("socket error!\n");
			exit(1);
		}
		
		/* 设置服务端信息 */
	    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); 	// 给结构体ServerSockAddr清零
	    ServerSockAddr.sin_family = AF_INET;  					// 使用IPv4地址
	    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 	// 自动获取IP地址
	    ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);  				// 端口
		
		// 设置地址和端口号可以重复使用  
	    if (setsockopt(ServerFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0)
		{
			printf("setsockopt error!\n");
			exit(1);
		}
		
		/* 绑定操作，绑定前加上上面的socket属性可重复使用地址 */
	    if (-1 == bind(ServerFd, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr)))
		{
			printf("bind error!\n");
			exit(1);
		}
		
		addr_size = sizeof(ClientAddr);
	
		while (1)
		{
			/* 接受客户端的返回数据 */
			int str_len = recvfrom(ServerFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ClientAddr, &addr_size);
			
			printf("客户端发送过来的数据为：%s\n", Buf);
			
			/* 发送数据到客户端 */
			sendto(ServerFd, Buf, str_len, 0, &ClientAddr, addr_size);
			
			/* 清空缓冲区 */
			memset(Buf, 0, BUF_LEN);  
		}
		
		close(ServerFd);
	
		return 0;
	}

客户端程序 linux_udp_client.c：

	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	#include 
	
	#define BUF_LEN  100
	
	int main(void) {
		int ClientFd;
		char Buf[BUF_LEN] = {0};
		struct sockaddr ServerAddr;
		int addr_size = 0;
		struct sockaddr_in  ServerSockAddr;
		
		/* 创建客户端socket */
		if (-1 == (ClientFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)))
		{
			printf("socket error!\n");
			exit(1);
		}
		
		/* 向服务器发起请求 */
	    memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));  
	    ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;
	    ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	    ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);
		
		addr_size = sizeof(ServerAddr);
		
		while (1)
		{
			printf("请输入一个字符串，发送给服务端：");
			gets(Buf);
			/* 发送数据到服务端 */
			sendto(ClientFd, Buf, strlen(Buf), 0, (struct sockaddr*)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr));
			
			/* 接受服务端的返回数据 */
			recvfrom(ClientFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ServerAddr, &addr_size);
			printf("服务端发送过来的数据为：%s\n", Buf);
			
			memset(Buf, 0, BUF_LEN);   // 重置缓冲区
		}
		
		close(ClientFd);   // 关闭套接字
		
		return 0;
	}

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