TCP（TCP客户端、服务器如何通信）

一、TCP介绍

TCP的特点：

  1. 面向连接的协议：TCP是一种可靠的、面向连接的协议，在通信之前需要建立连接，以确保数据的可靠传输。这意味着在传输数据之前，发送方和接收方之间需要建立一条可靠的连接通道。
  2. 流式协议：TCP将数据看作是一连串的字节流，而不是独立的数据包。这意味着在传输过程中，数据可以被分割成多个数据包进行传输，并在接收端进行重新组装。
  3. 可靠传输：TCP通过使用校验和、序列号和确认应答等机制，确保数据的可靠传输。如果在传输过程中发生错误或丢失，TCP会进行重传，以确保数据的完整性和准确性。
  4. 出错重传：当TCP接收到错误的数据包时，它会要求发送方重新发送该数据包，以确保数据的正确性。
  5. 确认应答：TCP使用确认应答机制来确保数据的可靠传输。当接收方收到一个数据包时，它会向发送方发送一个确认应答，表示已经收到了该数据包。
  6. 服务器被动连接，客户端主动连接：在TCP连接中，服务器通常处于被动状态，等待客户端的连接请求。而客户端则处于主动状态，负责发起连接请求。一旦连接建立成功，双方就可以进行数据传输。  

TCP与UDP的差异

TCP与UDP流程对比 

TCP编程流程 

服务器端流程：

  1. 创建套接字（socket）：使用socket()函数创建一个套接字，指定使用的协议族（如IPv4或IPv6）和socket类型（如流式socket）。
  2. 绑定套接字（bind）：使用bind()函数将套接字与服务器的网络信息（如IP地址和端口号）进行绑定。
  3. 监听套接字（listen）：使用listen()函数将套接字设置为监听状态，准备接收客户端的连接请求。
  4. 接受连接（accept）：使用accept()函数阻塞等待客户端的连接请求，并返回一个新的套接字用于与该客户端进行通信。
  5. 进行通信（recv/send）：使用recv()和send()函数与客户端进行数据的接收和发送。
  6. 关闭套接字（close）：通信完成后，使用close()函数关闭套接字，释放资源。

客户端流程：

  1. 创建套接字（socket）：与服务器端相同，使用socket()函数创建一个套接字。
  2. 连接服务器（connect）：使用connect()函数向服务器发起连接请求，指定服务器的IP地址和端口号。
  3. 进行通信（send/recv）：连接建立后，使用send()和recv()函数与服务器进行数据的发送和接收。
  4. 关闭套接字（close）：通信完成后，使用close()函数关闭套接字，释放资源。

 二、TCP编程-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，返回一个文件描述符
参数：
    domain：通信域，协议族
      AF_UNIX 本地通信
      AF_INET ipv4网络协议
      AF_INET6 ipv6网络协议
      AF_PACKET 底层接口
    type：套接字的类型
      SOCK_STREAM 流式套接字（tcp）
      SOCK_DGRAM 数据报套接字（udp）
      SOCK_RAW 原始套接字（用于链路层）
    protocol：附加协议，如果不需要，则设置为0

返回值：
    成功：文件描述符
    失败：‐1

 案例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //通过socket函数创建一个TCP套接字
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    printf("sockfd = %d\n", sockfd);

    return 0;
}

这段代码演示了如何使用C语言创建一个TCP套接字。在代码中，首先通过socket()函数创建了一个套接字，指定了协议族为AF_INET（IPv4），套接字类型为SOCK_STREAM（TCP）。如果创建失败，则会输出错误信息并退出程序。如果创建成功，则会输出套接字的文件描述符。最后，程序返回0表示正常退出。

 执行结果

 三、TCP客户端-connect、send、recv

3.1 connect函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：
    给服务器发送客户端的连接请求
参数：
    sockfd：文件描述符，socket函数的返回值
    addr：要连接的服务器的网络信息结构体（需要自己设置）
    addrlen：add的长度
返回值：
    成功：0
    失败：-1

注意：

  1. connect建立连接之后不会产生新的套接字
  2. 连接成功后才可以开始传输TCP数据
  3. 头文件：#include 

3.2 send函数

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

功能：
    发送数据
参数：
    sockfd：文件描述符

客户端：
    socket函数的返回值
服务器：
    accept函数的返回值

     buf：发送的数据
     len：buf的长度
     flags：标志位
       0 阻塞
       MSG_DONTWAIT 非阻塞
 
返回值：
    成功：发送的字节数
    失败：-1

注意： 不能用TCP协议发送0长度的数据包

3.3 recv函数

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
功能：
    接收数据
参数：
    sockfd：文件描述符
客户端：socket函数的返回值
服务器：accept函数的返回值
    buf：保存接收到的数据
    len：buf的长度
    flags：标志位
      0 阻塞
      MSG_DONTWAIT 非阻塞
返回值：
    成功：接收的字节数
    失败：-1
如果发送端关闭文件描述符或者关闭进程，则recv函数会返回0

3.4 客户端code

使用windows下的网络调试助手作为服务器

客户端的程序 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define N 128

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s [ip] [port]\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    //第一步：创建套接字
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //printf("sockfd = %d\n", sockfd);

    //第二步：发送客户端连接请求
    struct sockaddr_in serveraddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);

    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) == -1)
    {
        perror("fail to connect");
        exit(1);
    }

    //第三步：进行通信
    //发送数据
    char buf[N] = "";
    fgets(buf, N, stdin);
    buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
    if(send(sockfd, buf, N, 0) == -1)
    {
        perror("fail to send");
        exit(1);
    }

    //接收数据
    char text[N] = "";
    if(recv(sockfd, text, N, 0) == -1)
    {
        perror("fail to recv");
        exit(1);
    }

    printf("from server: %s\n", text);

    //第四步：关闭套接字文件描述符
    close(sockfd);

    return 0;
}

这段代码是一个简单的TCP客户端程序。它接收两个命令行参数：服务器的IP地址和端口号。然后，程序会执行以下步骤：

  1. 创建一个TCP套接字。
  2. 使用connect()函数向服务器发送连接请求。
  3. 从标准输入读取一行数据，并将其发送给服务器。
  4. 接收服务器返回的数据，并将其打印到标准输出。
  5. 关闭套接字文件描述符。

 执行结果

 

四、TCP服务器-bind、listen、accept 

4.1 做为TCP服务器需要具备的条件

1、具备一个可以确知的地址

2、让操作系统知道是一个服务器，而不是客户端

3、等待连接的到来 对于面向连接的TCP协议来说，连接的建立才真正意味着数据通信的开始

4.2 bind函数

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：
    将套接字与网络信息结构体绑定
参数：
    sockfd：文件描述符，socket的返回值
    addr：网络信息结构体
      通用结构体（一般不用）
      struct sockaddr
      网络信息结构体 sockaddr_in
#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in
addrlen：
    addr的长度
返回值：
    成功：0
    失败：-1

 简单写个例子

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    // 创建一个流式套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    // 初始化网络信息结构体
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8080); // 绑定到8080端口
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定到任意IP地址

    // 将套接字与网络信息结构体绑定
    socklen_t addrlen = sizeof(addr);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, addrlen) == -1) {
        perror("bind");
        return -1;
    }

    printf("Bind successful\n");

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

 在这个实例中，我们首先使用socket()函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
功能：
    阻塞等待客户端的连接请求
参数：
    sockfd：文件描述符，socket函数的返回值
    addr：接收到的客户端的信息结构体（自动填充，定义变量即可）
    addrlen：addr的长度
返回值：
    成功：新的文件描述符（只要有客户端连接，就会产生新的文件描述符，这个新的文件描述符专门与指定的客户端进行通信的）
    失败：-1

创建了一个流式套接字，然后初始化了一个sockaddr_in结构体，将套接字绑定到8080端口和任意IP地址。最后，我们使用bind()函数将套接字与网络信息结构体绑定，如果绑定成功，则会输出"Bind successful"。

 4.3 listen函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
功能：
    将套接字设置为被动监听状态，这样做之后就可以接收到连接请求
参数：
    sockfd：文件描述符，socket函数返回值
    backlog：允许通信连接的主机个数，一般设置为5、10
返回值：
    成功：0
    失败：-1

4.4 accept函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
功能：
    阻塞等待客户端的连接请求
参数：
    sockfd：文件描述符，socket函数的返回值
    addr：接收到的客户端的信息结构体（自动填充，定义变量即可）
    addrlen：addr的长度
返回值：
    成功：新的文件描述符（只要有客户端连接，就会产生新的文件描述符，这个新的文件描述符专门与指定的客户端进行通信的）
    失败：-1

 4.5 TCP服务器例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define N 128

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s [ip] [port]\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    //第一步：创建套接字
    int sockfd;
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        perror("fail to socket");
        exit(1);
    }

    //第二步：将套接字与服务器网络信息结构体绑定
    struct sockaddr_in serveraddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(serveraddr);

    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, addrlen) == -1)
    {
        perror("fail to bind");
        exit(1);
    }

    //第三步：将套接字设置为被动监听状态
    if(listen(sockfd, 10) == -1)
    {
        perror("fail to listen");
        exit(1);
    }

    //第四步：阻塞等待客户端的链接请求
    int acceptfd;
    struct sockaddr_in clientaddr;
    if((acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &addrlen)) == -1)
    {
        perror("fail to accept");
        exit(1);
    }

    //打印连接的客户端的信息
    printf("ip:%s, port:%d\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));

    //第五步：进行通信
    //tcp服务器与客户端通信时，需要使用accept函数的返回值
    char buf[N] = "";
    if(recv(acceptfd, buf, N, 0) == -1)
    {
        perror("fail to recv");
    }

    printf("from client: %s\n", buf);

    strcat(buf, " *_*");
    if(send(acceptfd, buf, N, 0) == -1)
    {
        perror("fail to send");
        exit(1);
    }

    //关闭套接字文件描述符
    close(acceptfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

 

  1. 创建一个TCP套接字。
  2. 将套接字与服务器的IP地址和端口号绑定。
  3. 将套接字设置为被动监听状态，等待客户端的连接请求。
  4. 阻塞等待客户端的连接请求，并接受连接。
  5. 打印连接的客户端的IP地址和端口号。
  6. 接收客户端发送的数据，并将其打印出来。
  7. 向客户端发送数据。
  8. 关闭与客户端的连接，并关闭套接字。

 执行结果

4.6  close关闭套接字

  1. 使用close函数即可关闭套接字 关闭一个代表已连接套接字将导致另一端接收到一个0长度的数据包
  2. 做服务器时 1>关闭监听套接字将导致服务器无法接收新的连接，但不会影响已经建立的连接 2>关闭accept返回的已连接套接字将导致它所代表的连接被关闭，但不会影响服务器 的监听
  3. 做客户端时 关闭连接就是关闭连接，不意味着其他

 

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