Linux網(wǎng)絡(luò)編程：深入探索TCP與UDP
在Linux網(wǎng)絡(luò)編程的世界里，TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）無疑是兩種最為核心的傳輸層協(xié)議
它們各自具有獨(dú)特的特性和應(yīng)用場景，了解并善用它們對(duì)于構(gòu)建高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用至關(guān)重要
本文將深入探討TCP和UDP的原理、使用、數(shù)據(jù)流動(dòng)以及異常情況的處理方式，幫助你更好地理解并應(yīng)用這兩種協(xié)議
一、TCP與UDP概述
1.1 TCP的原理
TCP是一種面向連接的協(xié)議，通過三次握手建立連接，并在連接上進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸
這種可靠性是通過序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答（ACK）、重傳機(jī)制、流量控制和擁塞控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的
TCP協(xié)議段包括固定長度的首部和可變長度的數(shù)據(jù)部分，其中首部包含了各種用于建立和維護(hù)連接、傳輸控制和錯(cuò)誤檢測等功能的字段
TCP的三次握手過程如下：
- 第一次握手：客戶端發(fā)送一個(gè)帶有SYN標(biāo)志的TCP報(bào)文段到服務(wù)器，表示請(qǐng)求建立連接
- 第二次握手：服務(wù)器收到SYN報(bào)文段后，回復(fù)一個(gè)帶有SYN和ACK標(biāo)志的TCP報(bào)文段，表示同意建立連接
- 第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN-ACK報(bào)文段后，再發(fā)送一個(gè)帶有ACK標(biāo)志的TCP報(bào)文段，表示連接已建立
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，TCP使用序列號(hào)來標(biāo)記每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，并通過ACK來確認(rèn)接收到的數(shù)據(jù)
如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失或出錯(cuò)，TCP會(huì)進(jìn)行重傳，直到數(shù)據(jù)被正確接收
TCP還通過滑動(dòng)窗口和擁塞控制算法進(jìn)行流量控制和擁塞控制
滑動(dòng)窗口機(jī)制允許發(fā)送方在接收方未確認(rèn)接收之前，發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，從而提高了傳輸效率
擁塞控制算法則通過調(diào)整發(fā)送速率來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞
1.2 UDP的原理
相比于TCP，UDP是一種更簡單的協(xié)議
UDP是無連接的，它直接在IP協(xié)議之上發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，不提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸、流量控制或擁塞控制
因此，UDP的延遲和開銷較小，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，如語音和視頻通信
UDP數(shù)據(jù)包每次能夠傳輸?shù)淖畲箝L度等于MTU（最大傳輸單元）減去IP頭和UDP頭的長度
由于UDP在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)前不需要在客戶端和服務(wù)器之間建立連接，且沒有超時(shí)重發(fā)等機(jī)制，因此傳輸速度很快
但這也意味著UDP不提供可靠性保障，數(shù)據(jù)包可能會(huì)丟失或亂序到達(dá)
1.3 數(shù)據(jù)流動(dòng)
在TCP和UDP通信中，數(shù)據(jù)是從客戶端流向服務(wù)器的
客戶端首先建立連接（TCP）或直接發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)（UDP），然后服務(wù)器接收并處理這些數(shù)據(jù)，可能會(huì)返回響應(yīng)給客戶端
在TCP通信中，數(shù)據(jù)的流動(dòng)是雙向的，客戶端和服務(wù)器都可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)
在UDP通信中，數(shù)據(jù)的流動(dòng)也是雙向的，但由于UDP是無連接的，客戶端和服務(wù)器可以獨(dú)立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
二、Socket的使用
在Linux網(wǎng)絡(luò)編程中，我們使用socket來實(shí)現(xiàn)TCP和UDP通信
socket()、sockaddr_in結(jié)構(gòu)體和相關(guān)常量都是用于創(chuàng)建和配置套接字的關(guān)鍵組件
2.1 TCP Socket示例
以下是一個(gè)簡單的TCP服務(wù)器和客戶端的示例代碼
服務(wù)器端：
include
include
include
include
include
int main() {
intserver_fd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
structsockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(server_fd, (struct sockaddr)&server_addr, sizeof(server_addr));
listen(server_fd, 5);
while(true) {
structsockaddr_in client_addr;
socklen_tclient_addr_len =sizeof(client_addr);
intclient_fd =accept(server_fd,(structsockaddr)&client_addr, &client_addr_len);
charbuffer【1024】;
ssize_tread_len =read(client_fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);
buffer【read_len】 = 0;
std::cout [ Received: [ buffer [ std::endl;
write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
close(client_fd);
}
close(server_fd);
return 0;
}
客戶端：
include
include
include
include
include
include
int main() {
intclient_fd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
structsockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, 127.0.0.1, &server_addr.sin_addr);
connect(client_fd, (struct sockaddr)&server_addr, sizeof(server_addr));
const- char message = Hello, Server!;
write(client_fd, message, strlen(message));
charbuffer【1024】;
ssize_tread_len =read(client_fd, buffer,sizeof(buffer) - 1);
buffer【read_len】 = 0;
std::cout [ Received: [ buffer [ std::endl;
close(client_fd);
return 0;
}
在這個(gè)示例中，服務(wù)器端首先創(chuàng)建一個(gè)TCP套接字，并綁定到指定的IP地址和端口上 然后，服務(wù)器進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待客戶端的連接請(qǐng)求
當(dāng)客戶端連接到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器接受連接，并與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
客戶端則通過connect函數(shù)連接到服務(wù)器，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
2.2 UDP Socket示例
以下是一個(gè)簡單的UDP服務(wù)器和客戶端的示例代碼
服務(wù)器端：
include
include
include
include
include
include
include
int main() {
unsigned short port = 48570;
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd < {
perror(socket);
exit(-1);
}
structsockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(port);
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
interr_log =bind(sockfd,(structsockaddr)&my_addr, sizeof(my_addr));
if(err_log!={
perror(bind);
close(sockfd);
exit(-1);
}
printf(Binding server to port %dn,port);
printf(receive data...n);
while(1) {
intrecv_len;
charrecv_buf【512】 = ;
structsockaddr_in client_addr;
charcli_ip【INET_ADDRSTRLEN】 = ;
socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);
recv_len = recvfrom(sockfd,recv_buf,sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr)&client_addr, &cliaddr_len);
inet_ntop(AF_INET, &client_addr
