TCP和UDP通信基础

目录

1. 套接字 (Socket)

2. 基于TCP通信的流程

服务器端

客户端

1. TCP通信API

1.1 创建套接字描述符socket

1.2 绑定IP和端口号bind

1.3 设置监听状态 listen

1.4 接受连接请求 accept

1.5 发送数据 send

1.6 接收数据 recv

2. TCP服务器代码示例

代码解释：

注意点：

 3. 客户端API

连接服务器

功能：

参数说明：

返回值：

示例：

代码解释：

注意事项：

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1. 套接字 (Socket)

1. 套接字的本质

   • socket套接字是一个特殊的文件，在原始Linux中，它与管道、消息队列、共享内存、信号等机制类似，只能用于主机内的进程间通信。

2. 历史发展与通信范围

   • 随着TCP/IP协议族的出现，socket套接字能够通过网卡，与外部主机进行通信，突破了单机限制。

3. socket函数的作用

   • 调用socket函数会生成一个文件描述符。
   • 主机间的不同进程可以通过对该文件描述符的读写，实现通信。

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2. 基于TCP通信的流程

服务器端

1. socket

   • 创建原始套接字。

2. bind

   • 将原始套接字与主机IP绑定（该服务器的身份，服务器以字节主机的身份通信）。
     • 通过bind，服务器的套接字被绑定到一个明确的IP地址和端口号。
     • 当客户端发起通信请求时，客户端通过这个IP地址和端口号找到服务器，从而使服务器在网络中以“唯一身份”进行通信。

3. listen

   • 将原始套接字设置为监听状态。
   • 注意：监听套接字只能用于监听，要进行实际通信需要创建一个新的套接字。

4. accept

   • 接收客户端的连接请求，获取客户端信息，并生成一个新的套接字描述符，用于与该客户端通信。

5. 通信与关闭

   • 使用新套接字发送和接收信息。
   • 完成通信后关闭套接字。

客户端

1. socket

   • 创建原始套接字。

2. bind（可选）

   • 客户端可以选择是否绑定IP和端口号。
   • 如果绑定，则客户端只能以绑定的IP和端口号进行通信。通常情况下无需绑定，除非服务器要求接收特定客户端的信息。

3. connect

   • 向服务器发送连接请求，并携带客户端的身份信息（IP和端口号）。

4. 通信与关闭

   • 通过套接字发送和接收信息。
   • 完成通信后关闭套接字。

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1. TCP通信API

1.1 创建套接字描述符socket

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

• 功能：创建一个套接字描述符。
• 参数：
  • domain：通信域类型
    • AF_UNIX, AF_LOCAL: 本地通信
    • AF_INET: IPv4通信
    • AF_INET6: IPv6通信
  • type：通信类型
    • SOCK_STREAM: 使用TCP通信协议
    • SOCK_DGRAM: 使用UDP通信协议
  • protocol：通常为0，表示自动选择与domain和type兼容的协议。
• 返回值：成功返回套接字描述符，失败返回-1。

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1.2 绑定IP和端口号bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：将套接字与IP和端口绑定，指定通信域。
• 参数：
  • sockfd：套接字文件描述符。
  • addr：通信域的结构体指针，通常是struct sockaddr_in，其中包含IP地址和端口号。
  • addrlen：结构体的大小。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

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1.3 设置监听状态 listen

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：设置套接字为监听状态，等待客户端连接。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • backlog：最大等待连接数，最多为128。
• 返回值：成功返回0，失败返回-1。

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1.4 接受连接请求 accept

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 功能：从监听队列中接受客户端连接，创建新的套接字用于通信。
• 参数：
  • sockfd：监听套接字描述符。
  • addr：客户端信息结构体（struct sockaddr_in），接受客户端信息。
  • addrlen：客户端信息结构体的大小。
• 返回值：成功返回新套接字描述符，失败返回-1。

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1.5 发送数据 send

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：向其他进程发送数据。
• 参数：
  • sockfd：新套接字文件描述符。
  • buf：发送的数据缓冲区。
  • len：发送的数据长度。
  • flags：控制发送的标志（例如MSG_DONTWAIT表示非阻塞发送）。
• 返回值：成功返回发送的字节数，失败返回-1。

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1.6 接收数据 recv

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：从其他进程接收数据。
• 参数：
  • sockfd：新套接字文件描述符。
  • buf：接收数据的缓冲区。
  • len：接收数据的最大长度。
  • flags：控制接收的标志（例如MSG_DONTWAIT表示非阻塞接收）。
• 返回值：成功返回接收的字节数，失败返回-1。

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2. TCP服务器代码示例

#include <myhead.h>
#define IP "192.168.60.69"
#define PORT 6666
#define BACKLOG 20int main(int argc, const char *argv[])
{// AF_INET: IPV4通信// SOCK_STREAM：TCP通信协议int oldfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 1. 创建套接字if (oldfd == -1){perror("socket");return -1;}// 2. 绑定IP和端口号struct sockaddr_in server = {.sin_family = AF_INET,          // IPV4.sin_port = htons(PORT),        // 端口号转为网络字节序.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP), // IP地址};if (bind(oldfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1){perror("bind");return -1;}// 3. 监听if (listen(oldfd, BACKLOG) == -1){perror("listen");return -1;}// 4. 接受客户端连接请求，创建新的描述符用于通信struct sockaddr_in client; // 接收客户端信息的结构体socklen_t client_len = sizeof(client); // 计算出结构体大小int newfd;newfd = accept(oldfd, (struct sockaddr *)&client, &client_len);if (newfd == -1){perror("accept");return -1;}printf("%s发来连接请求\n", inet_ntoa(client.sin_addr));// 5. 循环收发信息char buff[1024];while (1){memset(buff, 0, sizeof(buff));// int len = read(newfd, buff, sizeof(buff)); // 传统方式int len = recv(newfd, buff, sizeof(buff), 0); // 0: 阻塞发送，MSG_DONTWAIT: 非阻塞if (len == 0){printf("客户端下线\n");break;}printf("%s\n", buff);strcat(buff, "5201314"); // 加上一句话回过去// write(newfd, buff, sizeof(buff)); // 传统方式send(newfd, buff, sizeof(buff), 0); // 发送}close(oldfd);close(newfd);return 0;
}

代码解释：

1. 创建套接字：socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 创建一个支持 IPv4 的 TCP 套接字。
2. 绑定 IP 和端口：通过 bind 函数将服务器的 IP 地址和端口号绑定到创建的套接字上。
3. 监听：调用 listen 函数将套接字设置为监听状态，BACKLOG 指定了等待连接队列的最大长度。
4. 接受客户端连接：accept 函数用于从等待队列中接收客户端的连接请求，返回一个新的套接字文件描述符用于与客户端进行通信。
5. 收发信息：使用 recv 接收客户端发来的信息，并通过 send 发送响应。消息中添加了 "5201314" 字符串后回传给客户端。
6. 关闭套接字：完成通信后，通过 close 关闭原始套接字和客户端套接字。

注意点：

• recv 和 send 用于数据传输，它们是基于 TCP 协议的，保证数据的可靠传输。
• inet_ntoa 函数用于将客户端的 IP 地址转换为点分十进制格式。
• 使用 strcat 拼接字符串发送回客户端。

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 3. 客户端API

连接服务器

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能：

• connect 用于客户端与服务器建立连接。它对应于服务器端的 accept 函数，完成了三次握手的过程。
• 客户端通过调用 connect 向服务器发送连接请求，服务器通过 accept 接受连接。此时，TCP连接的三次握手完成。

参数说明：

• 参数1 (sockfd)：套接字描述符，即客户端通过 socket 函数创建的套接字。
• 参数2 (addr)：服务器的地址结构体，包含目标服务器的 IP 地址和端口号。
• 参数3 (addrlen)：addr 结构体的大小，用于指定服务器地址结构体的大小。

返回值：

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并置位错误码。

示例：

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>#define SERVER_IP "192.168.60.69"
#define SERVER_PORT 6666int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 创建套接字if (sockfd == -1) {perror("socket");return -1;}struct sockaddr_in server_addr;server_addr.sin_family = AF_INET;              // IPV4server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);     // 服务器端口server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);  // 服务器IP// 连接到服务器if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect");return -1;}printf("成功连接到服务器\n");// 这里可以添加发送和接收数据的代码close(sockfd);  // 关闭套接字return 0;
}

 

代码解释：

1. 创建套接字：客户端使用 socket 函数创建一个 TCP 套接字。
2. 填充服务器地址结构体：struct sockaddr_in 用于定义目标服务器的 IP 地址和端口号。
3. 建立连接：客户端调用 connect 函数连接到指定服务器。如果连接成功，将输出 "成功连接到服务器"。
4. 关闭套接字：连接完成后，使用 close 关闭套接字。

注意事项：

• 连接过程中的三次握手是自动进行的，客户端不需要手动处理三次握手的细节。
• 如果连接失败（例如服务器不可达或端口未打开），connect 将返回 -1，并设置相应的错误码。

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