TCP/UDP通信 - 技术栈

1、TCP/IP四层模型

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

TCP/IP体系中为4层模型：

应用层
传输层
网络层
网络接口层(物理层+数据链路层)

2、MAC地址、 IP地址、端口号

MAC地址：物理层里网卡的地址，设备的唯一标识，不可变。
IP地址：在网络层引入的地址，用于区分不同计算机是否属于同一子网络下。
端口号：传输层引入的概念，有了mac+ip地址，可以确定具体网络下的某一设备，但需要确定交换的数据交给哪个程序应用(进程)处理，是QQ还是微信，于是就需要端口号。
网络层建立了主机到主机的通信，传输层建立了端到端(口)的通信。

TCP、UDP

TCP：三次握手，传输确认，四次挥手
三次握手：客户端发送SYN(synchronous)数据包，服务器收到并发送SYN+ACK(acknowledgement),客户端收到并发送ACK包，连接建立。
为什么不是两次握手:这是为了防止已失效的请求报文突然又传到服务器，引起错误。假设两次握手建立连接，客户端发送SYN1包，由于网络原因，没能到达服务端，于是客户端发送SYN2包，服务端成功收到并发送SYN2+ACK建立起了连接，但此时刚开始阻塞的SYN1包恢复正常发送到服务端，服务端收到并发送SYN2+ACK，此时服务端会认为客户端发起了新的连接，从而在两次握手后进入了等待数据状态。服务端认为是两个连接，客户端认为是一个连接，造成了状态不一致。如果是在3次握手的情况下，服务端收不到最后的ACK包，那么自然认为未建立连接。所以3次握手本质是为了解决信道不靠谱的问题。

建立连接后，客户、服务端都进入了数据传输状态。一包数据有可能被拆成多包发送，这些数据包到达的先后顺序不同，针对丢包问题、乱序问题：

TCP协议为每一个连接建立了一个发送缓冲区，从建立连接后的第一个字节的序列号为0，后面每个字节的序列号+1.

发送数据时，取其中一部分组成发送报文，发送报文组成为：起始序列号：数据长度：数据内容。

收到回复确认后的ACK，如图所示，继续发送下一包数据。

这样一问一答的方式，能够使发送端发送的数据确认被接收方收到，发送端也可以一次性发送多包的数据

该过程不分客户端和服务端，TCP连接是全双工的。
四次挥手：处于连接状态的服务端和客户端。都可以发起关闭连接请求。

假设客户端主动发起关闭连接请求，他先发送一个FIN(finish)包，表示要关闭连接，自己进入终止等待1状态(FIN-WAIT-1)，这是第一次挥手；服务端发送一ACK包，表示自己进入了关闭等待状态，客户端进入终止等待2状态，这是第二次挥手；服务端此时还可以发送未发送的数据，客户端还可以接收数据，待服务端发送完数据后，发送一个FIN包，进入最终确认状态，这是第三次挥手；客户端收到发送ACK包，进入超时等待状态(TIME-WAIT)，经过一段超时时间后关闭连接，这是第四次挥手，而服务端收到ACK包后立即关闭连接。
为什么客户端需要等待超时时间这是为了保持对方收到ACK包，因为不等待超时时间，假设ACK包丢失，服务端将一直停留在最终确认状态。而有了超时时间，服务端长时间没有收到ACK包，将重发FIN包，此时客户端会相应这个FIN包重新发送ACK包并刷新超时时间，这和三次握手一样，也是为了在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开。

UDP协议是基于非连接的，发送数据只是把数据包封装一下就发送出去，数据包之间没有状态上的联系，因此性能损耗非常少，CPU资源占用也远小于TCP，但对于数据丢包不能保证，适用于实时性要求高，对少量丢包无太大要求的场景。

Socket

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面。

网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是"一切皆文件"，都可以用"打开open --> 读写write/read --> 关闭close"模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

c 复制代码

//domain 协议域，决定了socket的地址类型
//type socket类型，常见的SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET等
//#protocol 协议，如IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP等
int socket(int domain, int type, int protocol);

//sockfd socket描述字，通过socket()函数创建的
//addr指向要绑定给sockfd的协议地址
//addrlen 对应的是地址的长度 
//通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号）
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

//sockfd 要监听的socket描述字
//backlog 相应socket可以排队的最大连接个数
int listen(int sockfd, int backlog);

//sockfd 客户端的socket描述字
//addr 服务器的socket地址
//addrlen socket地址的长度
//客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

//sockfd 服务器的socket描述字
//addr 客户端的协议地址
//addrlen 协议地址的长度
//如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

//此时已经建立连接，接着就是通信了 读写Socket
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);