[C++高频精进] 网络编程：网路基础

核心要点速览

• 协议栈：TCP/IP 四层模型（应用层→传输层→网络层→数据链路层）
• TCP vs UDP：TCP 面向连接、可靠流式；UDP 无连接、高效数据报
• 三次握手：建立 TCP 连接，确保双方收发能力正常；四次挥手：断开连接，释放全双工通道
• TIME_WAIT：客户端第四次挥手后停留 2MSL，确保 ACK 送达、旧报文失效
• Socket：网络编程接口，由 "IP + 端口" 唯一标识，TCP 需按固定流程（绑定 - 监听 - 连接 - 收发）编程

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一、TCP/IP 四层模型

• 应用层：提供具体业务协议（HTTP、FTP、DNS），定义数据格式和交互逻辑
• 传输层：TCP/UDP，负责端到端（进程间）数据传输（可靠 / 高效）
• 网络层：IP 协议，负责跨网络路由转发（寻址）
• 数据链路层：处理物理介质上的帧传输（如以太网帧）

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二、TCP 与 UDP 对比

对比维度	TCP（传输控制协议）	UDP（用户数据报协议）
连接性	面向连接（三次握手建连，四次挥手断连）	无连接（直接发送，无需建连）
可靠性	可靠（重传、序列号、确认、滑动窗口、拥塞控制）	不可靠（无重传，可能丢包 / 乱序）
传输速率	低（含确认、重传等额外开销）	高（无额外开销，仅传输数据）
数据形式	字节流（无边界，需应用层定义分割）	数据报（有边界，一次收发一个完整报文）
拥塞控制	有（避免网络过载）	无（可能导致网络拥塞）
适用场景	文件传输、HTTP、邮件（需可靠性）	实时通信（视频 / 语音）、DNS（需实时性）

1. TCP：面向连接的可靠传输

• 特性 ：
  • 面向连接：通信前必须通过三次握手建立连接，结束后通过四次挥手断开。
  • 可靠保障：通过序列号 （保证有序）、确认应答 （ACK，确保接收）、重传机制 （丢失重发）、滑动窗口 （流量控制）、拥塞控制（避免网络过载）实现数据不丢、不重、有序。
  • 字节流：数据无天然边界，需应用层自行处理粘包 / 半包问题。
• 典型协议：HTTP、FTP、SMTP、SSH。

2. UDP：无连接的高效传输

• 特性 ：
  • 无连接：无需建连 / 断连，直接发送数据，开销极低。
  • 不可靠：不保证数据到达、有序，无重传机制（丢包需应用层处理）。
  • 数据报：每个报文是独立单元（有边界），接收方一次接收一个完整报文（无粘包）。
• 典型协议：RTP（实时音视频）、DNS、DHCP、游戏数据传输。

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三、三次握手与四次挥手

1. 三次握手（建立 TCP 连接）

• 目的：确认双方 "发送" 和 "接收" 能力正常，协商初始序列号（避免历史报文干扰）。
• 流程 （客户端→服务器）：
  1. 第一次握手：客户端发SYN报文（同步请求），携带初始序列号seq = x。
  2. 第二次握手：服务器回SYN+ACK报文（同步 + 确认），携带自身初始序列号seq = y、确认号ack = x + 1（表示已接收客户端x）。
  3. 第三次握手：客户端回ACK报文，确认号ack = y + 1（表示已接收服务器y）。
• 问答 ：为什么需要三次握手？
  • 避免 "过期连接请求" 浪费服务器资源。若客户端旧SYN报文延迟到达，服务器二次握手后，客户端会因识别为无效请求而不发第三次ACK，服务器超时后释放资源（二次握手会导致服务器误建连）。

2. 四次挥手（断开 TCP 连接）

• 目的：TCP 是全双工通信（双方可同时发数据），需分别关闭各自的发送通道。
• 流程 （客户端先发起关闭）：
  1. 第一次挥手：客户端发FIN报文（终止请求），seq = u，表示不再发送数据。
  2. 第二次挥手：服务器回ACK报文，ack = u + 1，表示确认关闭请求（此时服务器→客户端通道仍可发数据）。
  3. 第三次挥手：服务器数据发送完毕，发FIN报文，seq = v，表示不再发送数据。
  4. 第四次挥手：客户端回ACK报文，ack = v + 1，表示确认关闭（此时客户端→服务器通道关闭）。
• 问答 ：为什么需要四次挥手？
  • 全双工特性导致：第二次挥手仅确认客户端的关闭请求，服务器可能仍有未发送完的数据，需等数据发完后，再通过第三次挥手关闭自身发送通道，因此需四次交互。

3. TIME_WAIT 状态

• 触发场景 ：客户端发送第四次挥手的ACK后进入该状态。
• 停留时间：默认 2MSL（MSL 是报文最大生存时间，通常 1 分钟）。
• 目的 ：
  1. 确保服务器能收到第四次挥手的ACK（若服务器未收到，会重发FIN，客户端可在TIME_WAIT内重传）。
  2. 避免客户端新连接收到旧连接的残留报文（2MSL 足够让网络中旧报文失效）。

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四、Socket：网络编程接口

1. Socket 本质

• 操作系统提供的网络通信接口，封装了 TCP/UDP 底层协议细节。
• 唯一标识：IP地址 + 端口号（如(192.168.1.1, 8080)），对应进程间通信的端点。

2. 核心Socket函数

函数名	作用	说明
socket()	创建 Socket 文件描述符	1. 参数 type：SOCK_STREAM=TCP，SOCK_DGRAM=UDP（必考）；2. 返回值：成功非负 fd，失败 - 1
bind()	绑定本地 IP + 端口	1. 端口范围 165535，11024 为知名端口；2. 必须用 htons() 转换端口为网络序（高频易错点）
listen()	TCP 服务器开启监听	1. 仅 TCP 使用，UDP 无需；2. 参数 backlog：监听队列最大长度，不代表最大连接数（易混淆点）
accept()	TCP 服务器接收客户端连接	1. 阻塞函数，返回新的 conn_fd用于通信，原 listen_fd 继续监听；2. 输出参数获取客户端地址
connect()	TCP 客户端发起连接	1. 触发三次握手，阻塞直到连接建立；2. UDP 无此函数（必考差异点）
send()/recv()	TCP 收发数据	1. 面向字节流，recv()返回 0 表示对方关闭连接；2. send()返回值可能 < len，需循环发送
sendto()/recvfrom()	UDP 收发数据	1. 无连接，需指定对方地址；2. 自带消息边界，无粘包问题（与 TCP 对比考点）
close()	关闭 Socket 释放资源	1. TCP 关闭触发四次挥手；2. 服务器需先关 conn_fd，再关 listen_fd

3. TCP Socket 编程流程（示例）

服务器端（被动连接）：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

int main() {
    // 1. 创建TCP Socket
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 2. 绑定IP和端口
    sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;         // IPv4
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有网卡IP
    serv_addr.sin_port = htons(8080);       // 端口转换为网络序
    bind(listen_fd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    // 3. 监听（最大等待连接数10）
    listen(listen_fd, 10);

    // 4. 阻塞等待客户端连接（返回与该客户端通信的新Socket）
    sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    int conn_fd = accept(listen_fd, (sockaddr*)&client_addr, &client_len);

    // 5. 收发数据
    char buf[1024] = {0};
    recv(conn_fd, buf, sizeof(buf), 0);     // 接收客户端数据
    send(conn_fd, "Hello Client", 12, 0);   // 发送响应

    // 6. 关闭Socket
    close(conn_fd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}

客户端（主动连接）：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

int main() {
    // 1. 创建TCP Socket
    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 2. 连接服务器
    sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 服务器IP
    serv_addr.sin_port = htons(8080);                  // 服务器端口
    connect(client_fd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    // 3. 收发数据
    send(client_fd, "Hello Server", 12, 0);           // 发送数据
    char buf[1024] = {0};
    recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);             // 接收响应

    // 4. 关闭Socket
    close(client_fd);
    return 0;
}

4. UDP Socket 收发示例

// UDP服务器端（接收数据）
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

int main() {
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // SOCK_DGRAM指定UDP

    sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    serv_addr.sin_port = htons(8080);
    bind(sock_fd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    char buf[1024] = {0};
    sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    // 接收数据并获取客户端地址
    recvfrom(sock_fd, buf, sizeof(buf), 0, (sockaddr*)&client_addr, &client_len);
    // 回复客户端
    sendto(sock_fd, "Hello UDP Client", 15, 0, (sockaddr*)&client_addr, client_len);

    close(sock_fd);
    return 0;
}

5. TCP 粘包解决方案示例（消息头 + 消息体，最常用）

// 发送端：打包消息（4字节长度+消息体）
void send_msg(int sock_fd, const std::string& data) {
    int len = data.size();
    len = htonl(len); // 长度转换为网络序
    // 先发送消息长度（4字节）
    send(sock_fd, &len, sizeof(len), 0);
    // 再发送消息体
    send(sock_fd, data.c_str(), data.size(), 0);
}

// 接收端：解析消息（先读长度，再读对应长度的消息体）
std::string recv_msg(int sock_fd) {
    int len = 0;
    // 先接收消息长度（4字节）
    recv(sock_fd, &len, sizeof(len), 0);
    len = ntohl(len); // 转换为主机序

    // 再接收消息体
    char* buf = new char[len + 1];
    recv(sock_fd, buf, len, 0);
    buf[len] = '\0';
    std::string data(buf);
    delete[] buf;
    return data;
}