03 网络编程 TCP传输控制协议

目录

1、TCP基本特征

2、TCP通信流程基本原理

(1)基本原理

(2)TCP通信代码实现

(3)核心API解析

1)地址绑定--bind

2)设置监听-listen设置监听-listen)

3)等待连接请求-accept-产生一个已连接套接字等待连接请求-accept-产生一个已连接套接字)

4)发起连接请求--connect

3、服务器广播


TCP全称 Transmition Control Protocol,即:传输控制协议。是面向连接的协议。通常,TCP 通信还会被冠以 可靠传输协议 的头衔。

但请注意,这里的可靠并非指发出去的数据对方一定能收到(这是不可能的),而仅指TCP能使发送方可靠地知道对方是否收到了数据。

1、TCP基本特征

  • 有连接:通信双方需要事先连接成功,方可传输数据
  • 有确认:一方收到对端的任何数据,都会给另一方发回执确认
  • 保证数据有序、不重复、丢失会重发
  • 如果网络拥堵,会自动调节发送量
  • 采用帧异步的流式通信方式(即通信双方每次的收发数据量不必相等)

简单来讲,TCP 类似于打电话,说话前需要花一定的时间接通电话,等到对方接听了之后双方才能开始通信,通信的过程中每个数据的传送,接收方都会给发送方回执确认,断开的时候也会互相通知以便于释放各自相关的资源。可以看出来,TCP 相对于 UDP 而言资源开销更大,提供更丰富的功能,TCP适合用在如下情形:

  • 传输质量要求较高,不能丢失数据
  • 大数据量的通信,以至于通信前后的连接和断开的开销可以忽略不计
  • 用户登录、账户管理等相关的功能

2、TCP通信流程基本原理

(1)基本原理

TCP的通信流程跟打电话是几乎一样的,因此可以将通信的过程细分为主动发起连接者(客户端)和被动接受连接者(服务端)两方来分别讨论。

被动的服务端Server

  1. socket:建立TCP套接字sockfd,即通信端点
  2. bind:绑定套接字sockfd与网络地址,即IP+端口
  3. listing:设定套接字sockfd进入被动监听状态,即将套接字设定为监听套接字
  4. accept:静静等待远程客户端的连接请求
  5. 收到连接请求后,得到一个专用于收发数据的连接套接字connfd
  6. 使用连接套接字connfd与客户端通信

主动的客户端Client

  1. socket:建立TCP套接字sockfd,即通信端点
  2. connect:对服务端发起连接请求
  3. 若连接成功,则直接通过套接字sockfd与服务端通信

注意:

  • 在服务端中,监听套接字和连接套接字是严格区分的,不可混用
  • 服务端所绑定的地址(IP+PORT)需要对外公开,否则客户端无法发起连接
  • 客户端在发起连接前一般无需绑定地址,此时系统会为此连接自动分配恰当的地址资源

(2)TCP通信代码实现

基本C/S代码(Client客户端、Server服务端),要演示TCP的通信过程,只需要写一个服务端和客户端即可,服务端负责建立被动监听套接字,客户端负责主动发起连接。下面通过一个简单的消息反弹服务器(即将客户端发来的消息直接原样反弹回去)来了解TCP通信的基本流程和所涉及的API。

需要用到的头文件

#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>

服务端:Server

客户端:Client

(3)核心API解析

1)地址绑定--bind

cpp 复制代码
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能
    将套接字 sockfd 与指定的IP和端口绑定
    注意,对于绑定了某个协议套接字的地址,不能重复绑定。
参数
    sockfd  - 套接字文件描述符
    addr    - 地址结构体,包含了IP+PORT
    addrlen - 地址结构体长度
返回值
    成功返回 0
    失败返回-1

一般而言,TCP服务端套接字都需要绑定IP和端口,否则客户端无法发起连接。
另外,除非要指定客户端的地址信息,TCP客户端套接字无需绑定IP和端口。

核心:使用结构体存放IP + 端口号 + 家族协议
因为使用IPV4 、TCP或者UDP,所有具有专属的结构体类型用来存放
const struct sockaddr *addr:通用类结构体类型
const struct sockaddr_in *addr:TCP和UDP专属类结构体类型

struct sockaddr_in
{
  sa_family_t  sin_family;  /*     Address family       */
  in_port_t  sin_port;      /*     Port number          */
  struct in_addr sin_addr;  /*     Internet address     */

  /* Pad to size of `struct sockaddr'. */ 
  让专属结构体和通用结构体大小能对齐,起到扩容专属结构体的作用
  unsigned char  __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int)
      - sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};

int main()
{
    //创建服务器的套接字
    int ser_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(ser_fd == -1)
    {
        perror("socket ... ");
        return -1;
    }
    //等客户端来连接的流程部署 --- 你怎么让客户端能连你 通缉犯
    //服务器绑定套接字: 把服务器的IP地址 和端口号 + 家族协议 绑定到外网把你的内网IP转成内存IP
    // IP地址分为: 公网IP + 内网IP, 
    struct sockaddr_in ser_addr;
    memset(&ser_addr,0,sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family      = AF_INET;
    ser_addr.sin_port        = htons(8888);//host主机字节序  network网络字节序
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//注意不能只绑定一个IP地址,我们电脑是多网卡的,有多个IP
    if(bind(ser_fd,(struct sockaddr *)&ser_addr,sizeof(ser_addr)) == -1)
    {
        perror("bind ... ");
        return -1;
    }
    else
    {
        printf("服务器绑定套接字成功!\n");
    }
    return 0;
}

2)设置监听-listen

cpp 复制代码
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

功能
    将套接字的状态设置为被动监听状态
    设定该套接字的最大等待连接数为backlog
参数
    sockfd - 套接字文件描述符
    backlog - 等待连接数最大值
返回值
    成功返回 0
    失败返回-1    

套接字被设定为被动监听状态后,该套接字sockfd只能被动接收连接,不能再主动发起连接。

backlog规定的是最大等待连接数,而不是最大连接数,在Linux中,如果backlog被设定为0,实质的最大等待连接数为4,也就是最多允许同时处理4个远端请求。在Linux中,backlog的最大值被限定在文件 /proc/sys/net/core/somaxconn 中。

另外要注意,要将该函数与阻塞等待对端连接的accecpt()区分开:listen()只是设置套接字状态以及设定backlog数目,它本身是不阻塞的,不能望文生义,以为 listen 就是监听等待对方,该函数的名字很容易产生歧义。

3)等待连接请求-accept-产生一个已连接套接字

默认会堵塞--让进程进入睡眠态

cpp 复制代码
#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TCP连接请求
参数
    sockfd  - 套接字文件描述符,服务器套接字
    addr    - 客户端地址信息结构体,不想查看连接的客户端信息,可设定为NULL
    addrlen - 地址结构体长度指针,  不想查看连接的客户端信息,可设定为NULL
返回值
    成功返回一个新的非负连接套接字描述符-成功连接的客户端套接字,使用其进行通信
    失败返回-1
详解
    该函数默认会阻塞等待客户端连接请求
    当不需要保存客户端地址信息时,后两个参数都可以被设定为NULL
    成功返回一个新的连接套接字,是专用于与客户端通信的、能收发数据的套接字

发送信息:
    write(客户端的对等套接字)---服务器发送给客户端
接收消息:
    read(客户端的对等套接字)      
    
accept进入不可中断睡眠态:想让对应进程或者线程退出--pthread_cancel()
客户端调用close()函数的时候退出了,服务器的read()返回0
客户端ctrl+c退出了            

注意:

由 accept() 函数返回的套接字,称为 已连接套接字,这与其第一个参数 sockfd 被动监听套接字 不同

  • 前者专用于与对端进行读/写操作
  • 后者专用于接收对端的连接请求,它们职责分明,不可混用。

4)发起连接请求--connect

cpp 复制代码
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能
    对指定地址的TCP服务端发起连接请求
参数
    sockfd  - 套接字文件描述符
    addr    - 服务端地址信息结构体
    addrlen - 地址结构体长度
返回值
    成功返回 0
    失败返回-1

该函数会向指定服务器发送连接请求SYN,正常情况下服务器会返回应答ACK和SYN2,
然后该函数再返回一个ACK2给服务器,此过程就是著名的TCP三次握手。
连接的建立是需要一定时间的,在网络环境较差的条件下时间可能会比较长,也就是说 
connect() 函数在网络不通畅的情形下会阻塞。

3、服务器广播

支持多个客户端连接,客户端发的消息,让服务器帮忙妆发,其他客户端都能收到

服务器思路:

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