TCP/UDP通信协议

TCP通讯时序

下图是一次TCP通讯的时序图。TCP连接建立断开。包含大家熟知的三次握手和四次挥手。

在这个例子中，首先客户端主动发起连接（connet）、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。双方发送的段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0), ACK1001, ，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001，带有一个mss（Maximum Segment Size，最大报文长度）选项值为1024（1K）。

下面的图是TCP头部的规范定义，它定义了TCP协议如何读取和解析数据

TCP协议解析：

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息，下面我们来分析一下：

TCP端口号（源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）

TCP的序号和确认号：32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000（1000+1000字节）。32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。

TCP的标志位用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。

SYN：简写为S，同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；
ACK：简写为.，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
FIN：简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接；
PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；
URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

建立TCP连接（三次握手）的过程

1.客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的段1。

客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000(也是记录数据的长度)，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。

2.服务器端回应客户端，是三次握手中的第2个报文段，同时带ACK标志和SYN标志。它表示对刚才客户端SYN的回应；同时又发送SYN（确认连接请求）给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。

服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。

3.客户必须再次回应服务器端一个ACK报文，这是报文段3。

客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为“三方握手（three-way-handshake）”。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的telnet程序收到RST段后报告错误Connection refused：

$ telnet 192.168.0.200 8080
Trying 192.168.0.200...
telnet: Unable to connect to remote host: Connection refused

数据传输的过程

1.客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。

2.服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。

3.客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

关闭连接（四次挥手）的过程

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

1.客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。

2.服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。

3.服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。

4.客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

C/S模型-TCP

下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：

服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。

数据传输的过程：

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。

如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。

在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的：应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段。

netstat -an |grep tcp   查看所有tcp连接包括LISTEN状态

思考：为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL才能进入CLOSE状态?

答案：MSL指的是报文在网络中最大生存时间。在客户端发送到服务端的FIN确认包ACK后，这个ACK包有可能到达不了，服务器端如果接收不到ACK包就会重新发送FIN包。所以客户端发送ACK后需要留出2MSL时间（ACK到达服务器器+服务器发送FIN重传包，一来一回）等待确认服务器端确实收到了ACK包。也就是说客户端如果等待2MSL时间也没收到服务器端重传的FIN包，则就可以确认服务器已经收到客户端发送的ACK包。

使用read write,实现一问一答服务器

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{int ret, len, value = 1;int serverfd, newconnetfd;struct sockaddr_in serveraddr;struct sockaddr_in clientaddr;char read_buff[128] = {0};if(argc != 3){printf("输入格式有误，输入格式:./可执行文件  IP  端口\n");exit(0);}//计算绑定服务器的结构体大小len = sizeof(struct sockaddr);//建立套接字serverfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(-1 == serverfd){printf("socket fail\n");exit(0);}serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_port = htons (atoi(argv[2])) ; serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);//允许端口重用setsockopt(serverfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &value, sizeof(value));//允许地址重用setsockopt(serverfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));//服务器绑定自己的IP地址与端口ret = bind(serverfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, len);if(-1 == ret){printf("bind fail\n");close(serverfd);exit(0);        }//设置监听客户端最大的数量ret = listen(serverfd, 5);if(-1 == serverfd){printf("listen fail\n");close(serverfd);exit(0);}//等待连接，如果没有客户端连接，则阻塞等待 连接成功，客户的信息放置在clientaddrnewconnetfd = accept(serverfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);if(-1 == newconnetfd){printf("accept fail\n");close(serverfd);exit(0);}//打印客户端IP与地址printf("客户端IP：%s, 端口号：%d\n",  inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),  ntohs(clientaddr.sin_port));while(1){ret = read(newconnetfd, read_buff, sizeof(read_buff));if(ret == 0) //客户端退出break;printf("客户端数据:%s\n", read_buff);//发数据给客户端。write(newconnetfd, "你说的对", strlen("你说的对"));bzero(read_buff, sizeof(read_buff));}close(newconnetfd);close(serverfd);return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>int clientfd;void *rcvthread(void *arg)
{char read_buff[128] = {0};while (1){recv(clientfd, read_buff, sizeof(read_buff), 0);printf("接受的数据:%s\n", read_buff);if (strcmp(read_buff, "quit") == 0)break;bzero(read_buff, sizeof(read_buff));}
}int main(int argc, char *argv[])
{int len, ret;struct sockaddr_in serveraddr;char write_buff[128] = {0};if (argc != 3){printf("输入格式有误，输入格式:./可执行文件  服务器IP  服务器端口\n");exit(0);}// 计算绑定服务器的结构体大小len = sizeof(struct sockaddr);// 建立套接字clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (-1 == clientfd){printf("socket fail\n");exit(0);}// 如果不绑定，系统在connet时将自己的IP与端口（随机）进行封装发送serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);// 连接服务器ret = connect(clientfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, len);if (-1 == ret){printf("connect fail\n");close(clientfd);exit(0);}pthread_t thread;ret = pthread_create(&thread, NULL, rcvthread, NULL);if (ret == -1){printf("pthread_create fail\n");return -1;}while (1){printf("请输入向服务器发的数据:\n");scanf("%s", write_buff);send(clientfd, write_buff, strlen(write_buff), 0);if (strcmp(write_buff, "quit") == 0)break;bzero(write_buff, sizeof(write_buff));}close(clientfd);return 0;
}

UDP协议

1、概念

传输层主要应用的协议模型有两种，一种是TCP协议，另外一种则是UDP协议。TCP协议在网络通信中占主导地位，绝大多数的网络通信借助TCP协议完成数据传输。但UDP也是网络通信中不可或缺的重要通信手段。

相较于TCP而言，UDP通信的形式更像是发短信。不需要在数据传输之前建立、维护连接。只专心获取数据就好。省去了三次握手的过程，通信速度可以大大提高，但与之伴随的通信的稳定性和正确率便得不到保证。因此，我们称UDP为“无连接的不可靠报文传递”。

那么与我们熟知的TCP相比，UDP有哪些优点和不足呢？由于无需创建连接，所以UDP开销较小，数据传输速度快，实时性较强。多用于对实时性要求较高的通信场合，如视频会议、电话会议等。但随之也伴随着数据传输不可靠，传输数据的正确率、传输顺序和流量都得不到控制和保证。所以，通常情况下，使用UDP协议进行数据传输，为保证数据的正确性，我们需要在应用层添加辅助校验协议来弥补UDP的不足，以达到数据可靠传输的目的。

与TCP类似的，UDP也有可能出现缓冲区被填满后，再接收数据时丢包的现象。由于它没有TCP滑动窗口的机制，通常采用如下两种方法解决：

1)服务器应用层设计流量控制，控制发送数据速度。

2)借助setsockopt函数改变接收缓冲区大小。如：

#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);int n = 220x1024; //默认大小为1Kbyte
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &n, sizeof(n));

2、C/S模型----UDP通信流程

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现。

UDP实现编程过程

客户端：

1、建立套接字（选择UDP协议）

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

函数作用：

建立套接字

参数：

domain：你要选择哪一种地址族

PF_INET/AF_INET ------Ipv4 网络协议

PF_INET6/AF_INET6----- Ipv6 网络协议

type：你要选择哪一种协议（TCP UDP）

SOCK_STREAM --流式套接字 TCP

SOCK_DGRAM -数据报套接字 UDP

protocol:一般设置成 0

返回值：

成功返回套接字文件描述符

失败 -1

2、绑定自己的IP地址和端口号

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

参数：

sockfd：套接字文件描述符

addr:自己的IP地址和端口号

addrlen：结构体的大小

返回值：

成功则返回 0,

失败返回-1, 错误原因存于 errno 中

struct sockaddr  --旧的结构体
{unsigned short sa_family; /地址族/char sa_data[14];/14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。/
};
//IPV4结构体      
struct sockaddr_in
{short int sin_family; /地址族  IPV4   IPV6/unsigned short int sin_port; /端口号/struct in_addr sin_addr; /IP地址/unsigned char sin_zero[8]; /填充0 以保持与struct sockaddr同样大小/
};
struct in_addr {in_addr_t s_addr; /in_addr_t为 32位的unsigned int，该无符号整数采用大端字节序。/
};

3、直接发送（聊天）

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int socket, const void *message, size_t length,int flags, const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t dest_len);

函数作用

用于UDP中发送数据，注意是UDP

参数：

socket ：套接字文件描述符

message：你要发送的数据

length：你要发送的数据大小，注意有多少就发多少 strlen

flags：一般设置成 0

dest_addr：对方的IP地址和端口号

dest_len：结构体的大小

返回值：

成功返回发送出去的字节数

失败返回 -1

4、关闭

close(socketfd);

服务器端：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int socket, void * buffer, size_t length,int flags, struct sockaddr * address, socklen_t * address_len);

函数作用

用于UDP中接收数据

参数：

socket ：套接字文件描述符

buffer：接收的数据存储在这里

length：接收的数据的大小，以最大的来接收 sizeof()

flags：一般设置成 0

address: 存储客户端的IP地址和端口号，可以获取到是谁给你发送的

address_len：结构体的大小

返回值：

成功返回接收到的字节数

失败返回 -1

服务器代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{int ret, len, serverfd;struct sockaddr_in serveraddr, clientaddr;char read_buff[128] = {0};if(argc != 3){printf("输入格式有误，输入格式:./可执行文件  IP  端口\n");exit(0);}//计算绑定服务器的结构体大小len = sizeof(struct sockaddr);//建立套接字serverfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(-1 == serverfd){printf("socket fail\n");exit(0);}serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_port = htons (atoi(argv[2])) ; serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);//服务器绑定自己的IP地址与端口ret = bind(serverfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, len);if(-1 == ret){printf("bind fail\n");close(serverfd);exit(0);        }while (1){ret = recvfrom(serverfd, read_buff, sizeof(read_buff), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);if(ret == -1){close(serverfd);exit(0);}//打印客户端IP与地址printf("客户端IP：%s, 端口号：%d\n",  inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),  ntohs(clientaddr.sin_port));printf("客户端数据:%s\n", read_buff);bzero(read_buff, sizeof(read_buff));}close(serverfd);return 0;
}

客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{int ret, len, clientfd;struct sockaddr_in serveraddr, clientaddr;char write_buff[128] = {0};if(argc != 3){printf("输入格式有误，输入格式:./可执行文件  IP  端口\n");exit(0);}//计算绑定服务器的结构体大小len = sizeof(struct sockaddr);//创建套接字clientfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(-1 == clientfd){printf("socket fail\n");exit(0);}//封装服务器的地址信息serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_port = htons (atoi(argv[2])) ; serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    while(1){printf("向服务器发送数据：\n");scanf("%s", write_buff);ret = sendto(clientfd, write_buff, strlen(write_buff), 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, len);        if(-1 == ret){printf("sendto fail\n");close(clientfd);exit(0);}}return 0;
}

结语：

在这篇博客中，我们深入探讨了TCP和UDP这两种常见的传输层协议，理解了它们各自的特性、优缺点以及适用场景。TCP以其可靠性和顺序传递的特性，适合于需要确保数据完整性和顺序的应用，如文件传输和网页浏览。而UDP则以其低延迟和简单的通信方式，在对速度要求严格的实时应用中表现优异，如在线游戏、视频会议和流媒体传输。

选择合适的协议不仅影响应用的性能，还能直接影响用户体验。因此，在设计网络应用时，开发者需要根据具体的业务需求和网络环境权衡选择。

希望通过这篇博客，读者能够更加清晰地理解TCP和UDP的特性，帮助您在未来的项目中作出明智的选择。感谢您的阅读，期待与您在网络协议的领域进行更多交流与探讨！