Linux——网络（tcp）

序列号与确认机制：每个TCP报文都包含一个序列号（Sequence Number），接收方通过发送确认号（Acknowledgment Number）来确认已收到的数据。如果发送方未收到确认，则会重传数据。
超时重传：如果发送方在一定时间内未收到确认，则会重新发送数据。
数据校验：TCP使用校验和（Checksum）来检测数据在传输过程中是否损坏。

3. 流量控制

TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，防止发送方发送数据过快导致接收方缓冲区溢出。

接收窗口：接收方通过TCP头部中的窗口字段告知发送方自己当前可接收的数据量。
动态调整：接收方可以根据自身缓冲区的可用空间动态调整窗口大小。

4. 拥塞控制

TCP通过拥塞控制算法避免网络拥塞，常见的算法包括：

慢启动（Slow Start）：初始时发送方以较小的窗口发送数据，随后指数增长。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：当窗口达到阈值后，发送方以线性方式增加窗口大小。
快速重传（Fast Retransmit）：当发送方收到三个重复的ACK时，立即重传丢失的报文。
快速恢复（Fast Recovery）：在快速重传后，发送方进入快速恢复阶段，避免窗口大幅减小。

5. 基于字节流

TCP是一种基于字节流的协议，这意味着：

无消息边界：TCP将数据视为连续的字节流，不保留发送方写入的数据边界。例如，发送方发送两次数据（"Hello"和"World"），接收方可能一次性收到"HelloWorld"。
粘包与拆包：由于TCP的字节流特性，接收方需要自己处理数据的边界问题（如通过长度字段或特殊分隔符）。

6. 全双工通信

TCP支持全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收数据。每个TCP连接由两个独立的流组成：

一个流用于从客户端到服务器的数据传输。
另一个流用于从服务器到客户端的数据传输。

7. 状态机

TCP连接的生命周期由一个状态机管理，常见的状态包括：

LISTEN：服务器等待客户端连接。
SYN_SENT：客户端已发送SYN，等待服务器响应。
SYN_RECEIVED：服务器已收到SYN并发送SYN-ACK，等待客户端确认。
ESTABLISHED：连接已建立，可以传输数据。
FIN_WAIT_1 / FIN_WAIT_2：主动关闭方等待对方的FIN或ACK。
CLOSE_WAIT：被动关闭方等待应用程序关闭连接。
TIME_WAIT：连接关闭后，等待可能出现的延迟报文。

8. TCP头部结构

TCP头部包含以下关键字段：

源端口和目的端口：标识通信的应用程序。
序列号和确认号：用于数据排序和确认。
标志位：如SYN、ACK、FIN等，用于控制连接状态。
窗口大小：用于流量控制。
校验和：用于数据完整性校验。

9. TCP的应用场景

TCP适用于需要可靠传输的场景，例如：

Web浏览（HTTP/HTTPS）
文件传输（FTP）
电子邮件（SMTP/POP3/IMAP）
远程登录（SSH/Telnet）

二、编写tcp代码函数

1. Socket 创建与配置

`socket()`

功能：创建一个新的套接字（socket），用于网络通信。

原型：

cpp 复制代码

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数：
- domain：协议族，如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。
- type：套接字类型，如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）。
- protocol：通常为 0，表示默认协议。
返回值：成功返回套接字文件描述符，失败返回 -1。

`setsockopt()`

功能：设置套接字选项，如重用地址、调整缓冲区大小等。

原型：

cpp 复制代码

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

常用选项：
- SO_REUSEADDR：允许重用本地地址。
- SO_RCVBUF / SO_SNDBUF：调整接收/发送缓冲区大小。

2. 绑定与监听

`bind()`

功能：将套接字绑定到本地地址和端口。

原型：

cpp 复制代码

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

参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- addr：指向 struct sockaddr 的指针，包含地址和端口信息。
- addrlen：地址结构体的长度。

`listen()`

功能：将套接字设置为监听模式，等待客户端连接。
原型：
cpp 复制代码
```
int listen(int sockfd, int backlog);
```
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- backlog：等待连接队列的最大长度。

3. 连接与接受连接

`connect()`

功能：客户端使用该函数连接到服务器。

原型：

cpp 复制代码

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

参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- addr：指向服务器地址结构体的指针。
- addrlen：地址结构体的长度。

`accept()`

功能：服务器接受客户端的连接请求，返回一个新的套接字用于通信。

原型：

cpp 复制代码

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

参数：
- sockfd：监听套接字文件描述符。
- addr：用于存储客户端地址信息。
- addrlen：地址结构体的长度。

4. 数据发送与接收

`send()`

功能：通过已连接的套接字发送数据。

原型：

cpp 复制代码

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- buf：指向要发送数据的缓冲区。
- len：数据长度。
- flags：标志位，通常为 0。

`recv()`

功能：通过已连接的套接字接收数据。

原型：

cpp 复制代码

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- buf：指向接收数据的缓冲区。
- len：缓冲区长度。
- flags：标志位，通常为 0。

5. 关闭连接

`close()`

功能：关闭套接字，释放资源。
原型：
cpp 复制代码
```
int close(int sockfd);
```
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。

`shutdown()`

功能：优雅地关闭连接，可以选择关闭读、写或读写通道。
原型：
cpp 复制代码
```
int shutdown(int sockfd, int how);
```
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- how：关闭方式，如 SHUT_RD（关闭读）、SHUT_WR（关闭写）、SHUT_RDWR（关闭读写）。

6. 地址转换与解析

`inet_pton()`

功能：将点分十进制的IP地址转换为二进制格式。

原型：

cpp 复制代码

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

参数：
- af：地址族，如 AF_INET 或 AF_INET6。
- src：点分十进制字符串。
- dst：存储二进制结果的缓冲区。

`inet_ntop()`

功能：将二进制格式的IP地址转换为点分十进制字符串。

原型：

cpp 复制代码

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
getaddrinfo()

功能：解析主机名和服务名，返回地址信息。

原型：

cpp 复制代码

int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);

7. 错误处理

`perror()`

功能：打印与 errno 相关的错误信息。
原型：
cpp 复制代码
```
void perror(const char *s);
```

`strerror()`

功能：将错误码转换为可读的字符串。
原型：
cpp 复制代码
```
char *strerror(int errnum);
```

三、基本客服端和服务端

1、服务端

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    char *response = "Hello from server";

    // 1. 创建套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("Socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 绑定地址和端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网络接口
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 监听连接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("Listen failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 接受客户端连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("Accept failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 读取客户端数据
    int valread = read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Client says: %s\n", buffer);

    // 6. 发送响应给客户端
    send(new_socket, response, strlen(response), 0);
    printf("Response sent to client\n");

    // 7. 关闭连接
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

2、客户端

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    char *message = "Hello from client";

    // 1. 创建套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 2. 将IP地址从字符串转换为二进制格式
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid address/ Address not supported");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 连接到服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("Connection failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 发送数据到服务器
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent to server\n");

    // 5. 接收服务器的响应
    int valread = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Server says: %s\n", buffer);

    // 6. 关闭连接
    close(sock);
    return 0;
}

总结

TCP网络编程是构建高性能、高可靠性网络应用的基础。通过理解TCP协议的工作原理、掌握Linux Socket API的使用方法，并实践编写客户端和服务器程序，我们可以逐步掌握网络编程的核心技能。希望本篇博客能为你的学习之旅提供帮助，期待你在网络编程的世界中探索更多可能性！